函数对象

函数对象（function object）a是一个程序设计的对象允许被当作普通函数来调用。

与之相区分：

- functionoid（函数体对象）定义为“有一个主要方法”的对象（object），不要求是什么类型，只要能 “调用” 就行。例如：`struct LessThan { bool compare(int a, int b) const { return a < b; } };`
- functor（仿函数）定义为：重载了 operator 的类对象（class object）。在 C++ 里，functor 就是 function object。
- lambda对象，生成一个匿名的 closure object，其类型叫 closure type
- std::bind(...) 返回对象，更准确叫bind expression object。
- std::function 对象，更准确叫 type-erased polymorphic function wrapper。通常也算functor。
- C++20 CPO，Customization Point Object，即“定制点对象”。例如`std::ranges::begin`。CPO 的重点不是“可调用”，而是“可定制”。所以 CPO 不只是“一个 functor”，它还承担了统一定制入口的角色。
- C++20 Niebloid，用于描述 C++20 ranges 中的算法实体，例如`std::ranges::sort`。Niebloid 的关键特征包括：不能显式指定模板实参；不参与普通ADL。

函数对象与函数指针相比，有两个优点：第一是编译器可以内联执行函数对象的调用；第二是函数对象内部可以保持状态。

函数式程序设计语言还支持闭包，例如，first-class函数支持在其创建时用到的函数外定义的变量的值保持下来，成为一个函数闭包。

## C++函数对象的实例

传统的C/C++函数指针：

```C
#include <stdlib.h>

/* Callback function, returns < 0 if a < b, > 0 if a > b, 0 if a == b */
int compareInts(const void* a, const void* b)
{
  return *(const int *)a - *(const int *)b;
}
...
// prototype of qsort is
// void qsort(void *base, size_t nel, size_t width, int (*compar)(const void *, const void *));
...
int main(void)
{
    int items[] = { 4, 3, 1, 2 };
    qsort(items, sizeof(items) / sizeof(items[0]), sizeof(items[0]), compareInts);
    return 0;
}
```

C++中，函数对象是定义了函数调用运算符的类对象，称作class type functor。

```Cpp
// comparator predicate: returns true if a < b, false otherwise
struct IntComparator
{
  bool operator()(const int &a, const int &b) const
  {
    return a < b;
  }
};
...
// An overload of std::sort is:
template <class RandomIt, class Compare>
void sort(RandomIt first, RandomIt last, Compare comp);
...
int main()
{
    std::vector<int> items { 4, 3, 1, 2 };
    std::sort(items.begin(), items.end(), IntComparator());
    return 0;
}
```

除了类类型函数对象，还有其他类型的函数对象，如使用成员函数指针或模板。C++11允许使用具有闭包功能的匿名函数。

## C++ STL中的函数对象

C++的STL中的众多algorithm，非常依赖于函数对象处理容器的元素。因此，STL预定义了许多函数对象、谓词（predicate）、以及用于复合（composite）函数对象的binder、member function adapter、 pointer to function adapters、 negaters、 function objects base structure。由于STL中的algorithm使用函数对象作为参数时，一般都是传值调用，所以函数对象应该仔细设计其复制构造函数。

### 预定义的函数对象

C++98在头文件functional中定义了下述函数对象:

- plus 结果为(param1 + param2)
- minus 结果为(param1 - param2)
- multiplies 结果为(param1 * param2)
- divides 结果为(param1 / param2)
- modulus 结果为(param1 % param2)

### 谓词（predicate）

返回布尔值（或者可以隐式转换为布尔值）的函数对象。用于STL中的algorithm时，谓词应该是无状态的（stateless）函数对象，即谓词的结果不依赖于内部的数据成员。这是因为STL中的algorithm不保证内部实现时对传入的谓词要复制多少次。

C++98在头文件functional中定义了下述谓词:

- equal_to 结果为(param1 == param2)
- not_equal_to 结果为(param1 != param2)
- less 结果为 (param1 < param2)
- greater 结果为(param1 > param2)
- less_equal 结果为 (param1 <= param2)
- greater_equal 结果为 (param1 >= param2)
- logical_not 结果为 (!param1)
- logical_and 结果为 (param1 && param2)
- logical_or 结果为 (param1

param2)

### Function Adapter

用于组合（combine）、变换（transform）、操作（manipulate）函数对象、特定参数值、或者特定函数。进一步细分为：

#### Binder

C++98在头文件functional中定义了两个函数bind1st与bind2nd，返回值为binder1st、binder2nd类型。用于把二元函数对象分别绑定第一个、第二个参数后成为单元函数对象。

#### Negater

negate把一个作为谓词的函数对象取反。C++98在头文件functional中定义了两个函数not1与not2，返回值为unary_negate、binary_negate类型。

#### Member function adapter

Member function adapter用于把类的成员函数用作STL中的algorithm的参数。C++98在头文件functional中定义了:

- 函数mem_fun，返回值为mem_fun_t类型，用于通过一个类对象指针来调用成员函数指针。
- 函数mem_fun_ref，返回值为mem_fun_ref_t类型，用于通过一个类对象引用来调用成员函数指针。

#### Pointer to function adapter

函数指针适配器（Pointer to function adapter）是把函数指针包装为一个函数对象，以便STL中的algorithm用函数对象作为统一的参数类型，不用再考虑以函数指针作为传入参数的情形。C++98在头文件functional中定义了:

- 函数ptr_fun，返回值为pointer_to_unary_function类型，包装了一个单参数的函数指针。
- 重载函数ptr_fun，返回值为pointer_to_binary_function类型，包装了一个双参数的函数指针。

### Function Object Base

函数对象基类（Function Object Base）定义在头文件functional中，用作STL的预定义的与函数对象有关的各个类的基类，其中定义了几个类型，分别表示函数调用的各个参数类型、结果类型。

- unary_function类，定义了2个类型：argument_type、result_type。
- binary_function类，定义了3个类型：first_argument_type、second_argument_type、result_type。

## C#

C#的函数对象是通过委托（delegate）声明的。

```csharp
using System;
using System.Collections.Generic;

static int CompareFunction(int x, int y)
{
    return x - y;
}

List<int> items = new(4, 3, 1, 2);
Comparison<int> del = CompareFunction;
items.Sort(del);
```

```csharp
using System;
using System.Collections.Generic;

List<int> items = new(4, 3, 1, 2);
items.Sort((x, y) => x - y);
```

## JavaScript

JavaScript中，函数是头等对象，并且支持闭包。

```javascript
function Accumulator(start) {
  let current = start
  return function (x) {
    return current += x
  }
}
```

用法：

```javascript
let a = Accumulator(4)
let x = a(5)   // x has value 9
x = a(2)       // x has value 11

let b = Accumulator(42)
x = b(7)       // x has value 49 (current = 49 in closure b)
x = a(7)       // x has value 18 (current = 18 in closure a)
```

## PowerShell

在Windows PowerShell语言中，脚本块（script block）是可作为一个整体单元使用的语句集合或表达式集合。脚本块可以接收参数并返回值。脚本块是Microsoft .NET Framework类型System.Management.Automation.ScriptBlock的实例。

```powershell
Function Get-Accumulator($x) {
    {
        param($y)
        return $x += $y
    }.GetNewClosure()
}
```

```ps1con
PS C:\> $a = Get-Accumulator 4
PS C:\> & $a 5
9
PS C:\> & $a 2
11
PS C:\> $b = Get-Accumulator 32
PS C:\> & $b 10
42
```

## Python

Python程序设计中，函数是作为头等对象（first-class object），可以如同普通的字符串、数值、list等对象那样操作。这使得大部分编写函数对象都是不必须的。

任何对象定义了`__call__()`方法，就具有了可以当作函数调用的语法。例如下面的做累加的类

```Python
class Accumulator(object):
    def __init__(self, n):
        self.n = n
    def __call__(self, x):
        self.n += x
        return self.n
```

一个使用例子：

```pycon
 >>> a = Accumulator(4)
 >>> a(5)
 9
 >>> a(2)
 11
 >>> b = Accumulator(42)
 >>> b(7)
 49
```

因为函数就是对象，可当作局部变量定义、确定其属性（内部状态）、作为别的函数的返回值。例如:

```Python
def Accumulator(n):
    def inc(x):
        inc.n += x
        return inc.n
    inc.n = n
    return inc
```

Python 3中，可以用函数闭包来创建函数对象：

```Python
def Accumulator(n):
    def inc(x):
        nonlocal n
        n += x
        return n
    return inc
```

## 进一步阅读

- David Vandevoorde & Nicolai M Josuttis (2006). C++ Templates: The Complete Guide, ISBN 0-201-73484-2: Specifically, chapter 22 is devoted to function objects.

## 外部链接

- Function Objects (STL) by Gabriel&Andreas Fleseriu&Masur on February 22nd, 2006
- Description from the Portland Pattern Repository
- C++ Advanced Design Issues - Asynchronous C++ by Kevlin Henney
- The Function Pointer Tutorials by Lars Haendel (2000/2001)
- Article " Generalized Function Pointers" by Herb Sutter
- Generic Algorithms for Java
- PHP Functors - Function Objects in PHP
- What the heck is a functionoid, and why would I use one? (C++ FAQ)