STL函数式编程--为什么？

Question

在C++标准模板库中，有一个名为“functional”的部分，其中许多类已经重载了它们的()运算符。

在C++中将函数作为对象使用是否会带来便利？

为什么我们不能只使用函数指针？有例子吗？

- Determinant

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可能是C++ Functors - and their uses的重复问题。 - Jesse Good

Answer 1

当然，我们可以始终使用函数指针而不是函数对象，但是函数对象提供了某些优点，例如：

• 更好的性能：

最显著且重要的优点之一是它们更可能提供更好的性能。在函数对象的情况下，编译器可以准确地确定并内联要调用的函数，因为编译时有更多的细节可用，而在函数指针的情况下，解引用指针使得编译器难以确定实际调用的函数。

• 函数对象是智能函数：

函数对象可以具有其他成员函数和属性，这意味着函数对象具有状态。实际上，由函数对象表示的相同函数在同一时间可能具有不同的状态。这对于普通函数是不可能的。函数对象的另一个优点是您可以在运行时初始化它们，然后再使用/调用它们。

• 泛型编程的强大功能：

只有当函数签名不同时，普通函数才能具有不同的类型。但是，即使其签名相同，函数对象也可以具有不同的类型。实际上，由函数对象定义的每个函数行为都具有其自己的类型。这对于使用模板进行泛型编程是一个重要的改进，因为可以将函数行为作为模板参数传递。

- Alok Save

Answer 2

为什么不能使用函数指针呢？有例子吗？

使用 C 风格的函数指针无法利用内联的优势。函数指针通常需要额外的查找间接寻址。
然而，如果重载了 operator ()，编译器很容易就可以内联代码并节省额外的调用，这样会增加性能。

另一个重载 operator () 的好处是，可以设计一个隐式地将函数对象作为参数考虑进去的函数，无需将其作为单独的函数传递。手工编码越少，程序中的错误越少，可读性也更强。

Bjarne Stroustrup（C++ 创始人）的网页上的这个问题很好地解释了这一方面。

如果需要，C++ 标准（模板）库使用重载的 operator () 进行函数式编程。

- iammilind

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有些编译器实际上会通过函数指针内联优化，当函数指针的值在编译时是常量且已知的时候，会将间接调用删除。 - Jonathan Wakely

Answer 3

> 在C++中将函数用作对象是否有任何便利之处？

是的：C++模板机制允许所有其他C/C++编程风格（C风格和OOP风格，见下文）。

> 为什么我们不能只使用函数指针？有例子吗？

但我们可以：一个简单的C函数指针也是一个具有良好定义的operator()的对象。 如果我们设计一个库，我们不想强迫任何人使用那种不需要的C指针样式。这通常像强制一切/每个人都在/使用OOP风格一样不受欢迎；见下文。

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从C程序员和函数式程序员的视角来看，OOP不仅倾向于更慢，而且更啰嗦，在大多数情况下也是错误的抽象方向（"信息"不应该是一个"对象"）。由于这个原因，每当在其他上下文中使用"对象"这个词时，人们往往会感到困惑。

在C++中，任何具有所需属性的东西都可以被视为一个对象。在这种情况下，一个简单的C函数指针也是一个对象。这并不意味着在不需要时使用OOP范例；这只是使用模板机制的正确方式。

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为了理解性能差异，比较编程（语言）风格/范例及其可能的优化：

C风格：

• 函数指针以其闭包（OOP中的"this"，指向某个结构的指针）作为第一个参数。
• 要调用函数，需要先访问函数的地址。
• 这是1次间接引用；无法内联。

C++（和Java）OOP风格：

• 派生自具有虚函数的类的对象的引用。
• 引用是第一个指针。
• 指向虚表的指针是第二个指针。
• 虚表中的函数指针是第三个指针。
• 这是3次间接引用；无法内联。

C++模板风格：

• 带有()函数的对象的副本。
• 由于该对象的类型在编译时已知，因此没有虚表。
• 函数的地址在编译时已知。
• 这是0次间接引用；可以内联。

C++模板非常灵活，可以允许上述其他两种风格，并且在内联的情况下，它们甚至可以胜过...

编译的函数式语言：（排除JVM和Javascript作为目标平台，因为缺少"proper tail calls"）

• 机器寄存器中的函数指针和其闭包引用。
• 通常不是函数“调用”，而是类似于GOTO的跳转。
• 函数不需要堆栈，没有返回地址、参数或局部变量在堆栈上。
• 函数具有可垃圾回收的闭包，其中包含参数和指向下一个要调用的函数的指针。
• 为了让CPU预测跳转，函数的地址需要尽早加载到寄存器中。
• 这是一次间接跳转，可能会进行跳转预测；几乎与内联一样快。

- comonad

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我不确定这如何回答OP提出的任何问题。 - Alok Save

@Als：我已经编辑了我的答案，以直接回答问题。我的大部分答案包含我认为是间接询问的信息。 - comonad

Answer 4

主要的区别在于函数对象比纯函数指针更强大，因为它们可以持有状态。大多数算法使用模板函数而不是纯函数指针，这使得可以使用强大的构造器（如绑定器(binders)）来通过填充存储在函数对象上的值来调用具有不同签名的函数，或者C++11中的新特性lambda。一旦算法被设计为接受函数对象，提供一组预定义的通用函数对象就是自然而然的事情。

此外，在大多数情况下，这些函数对象都是简单的类，编译器具有完整的定义并且可以内联函数调用来提高性能。这就是为什么std::sort比来自C库的qsort快得多的原因。

- David Rodríguez - dribeas