ARCHIV

C++ Funktory neboli funkční objekty

V tomto článku je vysvětlena problematika funktorů v C++. Je tedy ukázáno, co se pojmem funktor rozumí. Dále jsou zmíněny koncepty funktorů, předdefinované funktory a přizpůsobivé, neboli adaptabilní funktory.

28.3.2011 12:00 | Petr Sklenička | Články autora | přečteno 18212×

Úvod

Používáte-li při programování algoritmy, které nabízí knihovna STL, jistě jste zjistili, že mnoho těchto algoritmů používá tzv. funkční objekty, jinak řečeno funktory. Pokud nevíte, co to je, nebo jak se funktory používají, pak je článek určen právě pro Vás.

Funktor (v angl. function object) je objekt, který je možné použít po vzoru funkce s kulatými závorkami. Funktorem je tedy reference nebo ukazatel na obyčejnou funkci, nebo objekt třídy, která má přetížený operátor (). Nejprve si ukážeme jednoduchý příklad s použitím for_each. Předpokládejme, že máme nějaké pole čísel. Naším úkolem bude vypsat pouze čísla, která jsou větší než třeba číslo 5. S pomocí for_each je možné to provést tímto způsobem.

const int N = 7;
int myArray[N] = {3, 4, 9, 3, 6, 1, 9};
for_each(myArray, myArray + N, Print);

void Print(int value)
{
  if (value > 5) cout << value;
}

Třetím parametrem algoritmu for_each je identifikátor funkce Print, který se automaticky převede na pointer na funkci Print.
Pokud bychom pro vykonání funktoru potřebovali další parametry, bylo by nutné místo obyčejné funkce použít instanci třídy. Parametry, které by byly potřebné pro vykonání funktoru by pak byly atributy třídy a jejich inicializace by se prováděla v konstruktoru (nejvhodnější varianta). Ukážeme si i tento případ. Z pole, které bylo v předchozím příkladu, chceme vypsat ty čísla, jež spadají do intervalu (2, 6) (pozn. jde o otevřený interval, čili číslo 2 ani 6 v něm nejsou).

class Period
{
  private:
    int min, max;
  public:
    Period(const int min, const int max)
    {
      this->min = min;
      this->max = max;
    }
    void operator()(const int value) const
    {
      if (value > min && value < max) cout << value;
    }
};

for_each(myArray, myArray + N, Period(2, 6));

Pokud bychom třídu Period chtěli používat i pro jiné prvky než jen celá čísla, stačilo by ji definovat jako šablonu s jedním typovým parametrem, který by udával typ parametru value a typ atributů min a max. Nyní, když jsme si udělali lehký úvod do funktorů, se podíváme na koncepty funktorů a na předdefinované funktory.

Koncepty funktorů

Knihovna STL definuje následující koncepty funktorů:

• Generátor - jedná se o funktor, který je možno volat bez parametrů
• Unární funkce - jedná se o funktor, který je možno volat s jedním parametrem
• Binární funkce - jedná se o funktor, který je možno volat se dvěma parametry

V souvislosti s touto terminologií se také můžete setkat s pojmy jako predikát a binární predikát. Pojmem predikát se rozumí unární funkce, vracející hodnotu typu bool. Binární predikát je binární funkce, která vrací hodnotu typu bool.

V knihovně STL jsou již některé funktory definovány - jedná se o funkční objekty, které provádějí banální operace jako je sčítání, odčítání, dělení apod. Představte si nějaké dva vektory, v nichž máme uložena nějaká celá čísla. Tyto dva vektory budeme chtít od sebe odečíst. Velmi vhodným řešením bude použít funkci transform. Jako parametry funkce zadáme postupně iterátory rozsahu prvního vektoru, poté iterátor, který identifikuje začátek druhého vektoru. Dalším parametrem bude iterátor, který bude určovat místo, kam se zkopíruje výsledek. Dejme tomu, že budeme chtít výsledky vypsat, proto bude náš iterátor vypadat takto:

ostream_iterator<int> it(cout, " ");

Posledním parametrem funkce transform je funkce, která bude určovat, co se s danými prvky má stát - v našem případě je budeme chtít odečíst. Zde je drobný problém - nelze použít operátor " - ", protože je to operátor a ne funkce. Proto bychom si tedy mohli napsat funkci, která od sebe odečte dvě čísla - to je ovšem zbytečné řešení, správný postup je právě v použítí předdefinovaných funktorů. Stačí tedy tento řádek kódu:

transform(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), it, minus<int>());

V následující tabulce uvádím přehled operátorů a jim odpovídající funkční objekty.

Operátor	Odpovídající funktor
+	plus
-	minus
*	multiplies
/	divides
%	modulus
>	greater
<	less
>=	greater_equal
<=	less_equal
==	equal_to
!=	not_equal_to
&&	logical_and
||	logical_or
!	logical_not

Přizpůsobivé funktory

Všechny výše uvedené, předdefinované funktory, jsou přizpůsobivé. Pokud je objekt funktoru přizpůsobivý, znamená to, že obsahuje položky, které jsou vytvořené pomocí příkazu typedef. Mezi tyto položky patří first_argument_type, second_argument_type a result_type. Jinak řečeno, například návratovým typem objektu minus<double> je minus<double>::result_type. Pro lepší pochopení opět uvedu jednoduchý příklad.
Mějme vektor v1, jehož každý prvek chceme vynásobit číslem 3.14. K tomu budeme potřebovat opět verzi funkce transform, které mimo jiných parametrů musíme předat i unární funkci. Z předchozí tabulky už víme, že o násobení se postará funktor multiplies, nicméně jde o binární funkci, která se pro náš případ nehodí. Potřebujeme tedy tzv. funkční adaptér, který nám převede funktor se dvěma parametry na funktor, která má jeden parametr. K řešení tohoto problému se v C++ používají třídy binder1st a binder2nd. Na následujícím ukázce je kód, který vynásobí každý prvek vektoru číslem 3.14.

#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>
#include <algorithm>

using namespace std;

int main()
{
  const double pi = 3.14;
  const int N = 5;
  double myArray[N] = {1, 3, 5, 7, 9};
  
  vector<double> v1(myArray, myArray + 5);
  ostream_iterator<double> it(cout, " ");
  transform(v1.begin(), v1.end(), it, bind1st(multiplies<double>(), pi));
  return 0;
}

Třída binder1st obsahuje námi použitou funkci bind1st, díky níž jsme binární funkci multiplies převedli na unární funkci a mohli jsme ji potom použít na vyřešení našeho problému. Myslím, že již není nutné uvádět příklad na použítí bind2nd, neboť funguje analogicky funkci bind1st.

Závěr

To by bylo k funktorům zhruba vše. Doufám, že jste jim porozuměli, neboť některé věci se na první pohled mohou jevit jako poněkud těžkopádné, přitom to není nic složitého a je dobré funktorům rozumět.

Verze pro tisk