C++ STL 学习 ：for_each与仿函数(functor)（一）

C++ STL 学习 ：for_each与仿函数(functor)（一）

By zieckey( All right reserved!)

先看wikipedia定义：
A function object, also called a functor, functional, or functionoid,[1]  is a computer programming construct allowing an object to be invoked or called like it was an ordinary function, usually with the same syntax.
简单来将，仿函数（functor）就是一个重载了"()"运算符的struct或class，利用对象支持operator()的特性，来达到模拟函数调用效果的技术。

我们平时对一个集合类遍历的时候，例如vector，是这样做的：
for(vector::const_iterator iter = ivec.begin(); iter != ivec.end(); ++iter)
{
    //do your whatever you want here
}

例如下面的代码：


#include <vector>
#include <iostream>

struct State
{
    State( int state ) : m_state( state ){}
    ~State() { std::cout << "~State(), m_state=" << m_state << std::endl; }

    void setState( int state ){ m_state = state; }
    int getState() const{ return m_state; }

    void print() const { std::cout << "State::print: " << m_state << std::endl; }

private:
    int m_state;
};

int main()
{
    std::vector<State*> vect;

    vect.push_back( new State(0) );
    vect.push_back( new State(1) );
    vect.push_back( new State(2) );
    vect.push_back( new State(3) );

       std::vector<State*>::iterator it( vect.begin() );
    std::vector<State*>::iterator ite( vect.end() );
    for ( ; it != ite; ++it )
    {
        (*it)->print();
    }
    
    
    system( "pause" );
    return 0;
}

这里的for循环语句有点冗余，想到了std::for_each ，为了使用for_each，我们需要定义一个函数，如下：

void print( State* pstate )
{
    pstate->print();
}

于是就可以简化为下面代码：
std::for_each( vect.begin(), vect.end(), &print );

上面这段代码有点丑陋，看起来不太爽，主要是函数指针的原因。
在这种应用环境下，C++有仿函数来替代，我们定义一个仿函数，如下：

struct Printer
{
    template void operator()( T* t ) { t->print(); }
};

于是就可以简化为下面代码：
std::for_each( vect.begin(), vect.end(), Printer() );

下面，我们初步看下 for_each 的STL源码实现： 


        // TEMPLATE FUNCTION for_each

template<class _InIt,
    class _Fn1> inline
    _Fn1 for_each(_InIt _First, _InIt _Last, _Fn1 _Func)
    {    // perform function for each element

    _DEBUG_RANGE(_First, _Last);
    _DEBUG_POINTER(_Func);
    _CHECKED_BASE_TYPE(_InIt) _ChkFirst(_CHECKED_BASE(_First));
    _CHECKED_BASE_TYPE(_InIt) _ChkLast(_CHECKED_BASE(_Last));
    for (; _ChkFirst != _ChkLast; ++_ChkFirst)
        _Func(*_ChkFirst);
    return (_Func);
    }
    
上面的代码看起来挺晕菜的，这里给出 effective STL 里面的一个实现，简单明了：

template< typename InputIterator, typename Function >
Function for_each( InputIterator beg, InputIterator end, Function f ) {
    while ( beg != end )
        f( *beg++ );
}

其实for_each就是一个模板函数，将for循环语句封装起来，前面两个参数都是迭代器，第三个参数是使用一个函数指针（或仿函数），
其功能是对每一个迭代器所指向的值调用仿函数。之前觉得for_each挺神秘的，其实看看源码也挺简单的。呵呵。

上面代码还是有点冗余，因为为了使用for_each还要单独定义一个函数（或仿函数），不太清爽，
呵呵，stl早为我们准备好了 mem_fun 模板函数来解决这个一个问题，于是代码再次简化为：

std::for_each( vect.begin(), vect.end(), std::mem_fun( &State::print ) );

我们一起看看 mem_fun 的STL源码实现： 

        // TEMPLATE FUNCTION mem_fun
template<class _Result,
    class _Ty> inline
    mem_fun_t<_Result, _Ty> mem_fun(_Result (_Ty::*_Pm)())
    {    // return a mem_fun_t functor adapter
    return (std::mem_fun_t<_Result, _Ty>(_Pm));
    }

mem_fun 函数实际上是调用 mem_fun_t 函数，我们接着深入看看 mem_fun_t，


        // TEMPLATE CLASS mem_fun_t
template<class _Result,
    class _Ty>
    class mem_fun_t
        : public unary_function<_Ty *, _Result>
    {    // functor adapter (*p->*pfunc)(), non-const *pfunc
public:
    explicit mem_fun_t(_Result (_Ty::*_Pm)())
        : _Pmemfun(_Pm)
        {    // construct from pointer
        }

    _Result operator()(_Ty *_Pleft) const
        {    // call function
        return ((_Pleft->*_Pmemfun)());
        }
private:
    _Result (_Ty::*_Pmemfun)();    // the member function pointer
    };

将上面这段代码定义的写的我们好看懂一点，如下：

        // TEMPLATE CLASS mem_fun_t
template< typename _Result, typename _Ty >
class mem_fun_t : public unary_function<_Ty *, _Result>
{    
    typedef _Result (_Ty::*_Pmemfun)();
public:
    explicit mem_fun_t( _Pmemfun& pfunc )
        : m_pfun( pfunc )
    {    // construct from pointer
    }

    _Result operator()(_Ty *_Pleft) const
    {    // call function
        return ( (_Pleft->*m_pfun)() );
    }

private:
    _Pmemfun m_pfun; // the member function pointer

};


这样就比较清晰了，定义了仿函数mem_fun_t内部定义了一个类成员函数指针，
仿函数构造的时候将函数指针保存起来，当仿函数operator()被调用的时候，
就通过与一个类的实例关联起来从而实现了类成员函数的调用。

其调用流程是这样的，for_each把vector中的元素传送给mem_fun，
mem_fun自己产生一个仿函数mem_fun_t，然后仿函数调用其重载的()。

上述源码还有最后一个没有说明，就是unary_function，直接上源码：

        // TEMPLATE STRUCT unary_function
template<class _Arg,
    class _Result>
    struct unary_function
    {    // base class for unary functions
    typedef _Arg argument_type;
    typedef _Result result_type;
    };

就一个模板结构体。没有数据成员，非常简单。
最后，定义一个删除指针的仿函数：
struct DeletePointer
{
    template void operator()( T* ptr ) const { delete ptr; }
};
然后调用，就一个逐一删除vector里面的所有元素了。
std::for_each( vect.begin(), vect.end(), DeletePointer() );

源码：

 

#include <vector>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <functional>

struct State
{
    State( int state ) : m_state( state ){}
    ~State() { std::cout << "~State(), m_state=" << m_state << std::endl; }
    void setState( int state ){ m_state = state; }
    int getState() const{ return m_state; }
    void print() const { std::cout << "State::print: " << m_state << std::endl; }
private:
    int m_state;
};

void print( State* pstate )
{
    pstate->print();
}

struct Printer
{
    template<typename T> void operator()( T* t ) { t->print(); }
};

struct DeletePointer
{
    template<typename T> void operator()( T* ptr ) const { delete ptr; }
};

int main()
{
    std::vector<State*> vect;

    vect.push_back( new State(0) );
    vect.push_back( new State(1) );
    vect.push_back( new State(2) );
    vect.push_back( new State(3) );

    std::vector<State*>::iterator it( vect.begin() );
    std::vector<State*>::iterator ite( vect.end() );
    for ( ; it != ite; ++it )
    {
        (*it)->print();
    }

    std::for_each( vect.begin(), vect.end(), &print );
    std::for_each( vect.begin(), vect.end(), Printer() );
    std::for_each( vect.begin(), vect.end(), std::mem_fun( &State::print ) );
    std::for_each( vect.begin(), vect.end(), DeletePointer() );
    vect.clear();

    system( "pause" );
    return 0;
}

参考链接：
1、