FUNKČNÍ OBJEKTY, LAMBDY; TYPOVÉ KONVERZE
PB161 PROGRAMOVÁNÍ V JAZYCE C++
Nikola Beneš
9. dubna 2024
FUNKČNÍ UKAZATELE
Ukazatele na funkce
• drží adresu (volné) funkce
• klasická deklarace poněkud nečitelná
• alternativy: typové aliasy, auto1
void (*ptr1)(int) = foo;
using fun = void(int);
using fun_ptr = fun*;
fun_ptr ptr2 = foo;
auto* ptr3 = foo;
1
dedukce s auto se nedá použít pro generické / přetížené funkce
1
fun_ptr.cpp
FUNKČNÍ UKAZATELE
Neadresovatelné funkce
• funkce, na něž nesmíme mít ukazatel / referenci
• (nedefinované chování)
• main
• všechny funkce ze standardní knihovny, pokud nejsou
explicitně označené jako addressable
• v současnosti jen I/O manipulátory (uvidíme později)
• https://en.cppreference.com/w/cpp/language/extending_std
#Addressing_restriction
2
FUNKČNÍ UKAZATELE
Typové konverze (implicitní)
• funkce ↔ ukazatel na funkci
• → při typové dedukci auto (tzv. decay)
• ← při volání
• nullptr → ukazatel na funkci
• ukazatel na noexcept funkci → ukazatel bez noexcept
• žádné jiné, ani explicitní
• zejména nemůžeme standardně konvertovat na void*
(může existovat platformově závislá konverze)
3
FUNKCE VYŠŠÍCH ŘÁDŮ
• funkce, která má jako parametr jinou funkci
using int_pred = bool(int);
std::vector<int> filter(const std::vector<int>& vec,
int_pred* pred) {
std::vector<int> result;
for (int x : vec)
if (pred(x))
result.push_back(x);
return result;
}
4
filter1.cpp
GENERICKÉ FUNKCE VYŠŠÍCH ŘÁDŮ
auto filter(const auto& cont, auto pred) {
• chceme generickou funkci filter, která bude fungovat pro
libovolné kontejnery a libovolné predikáty
• jaký bude typ proměnné result?
• potřebujeme získat typ prvků uvnitř cont
• první nápad: decltype můžeme použít s libovolným výrazem
• výraz se nevyhodnotí, jen se otypuje
• decltype(*cont.begin()) je (konstantní) reference na
prvek kontejneru cont
• potřebovali bychom z typu „odstranit const a &“
5
filter2.cpp
ODBOČKA: TRANSFORMACE TYPŮ
Část knihovny <type_traits>
• různé manipulace s typy pro metaprogramování
• mimo záběr předmětu, ale jedna transormace se zde hodí:
std::decay_t< typ >
• typ, který by se dedukoval při předávání hodnotou
• auto bez const nebo &
• pro běžné typy: odstraní const a reference
• pro funkce: funkční ukazatel
• (pro Céčková pole: ukazatel na první prvek)
• std::decay_t<decltype(x)> value; je tedy jakoby:
• auto copy = x; decltype(copy) value;
• ale bez zbytečného vytváření kopie
6
GENERICKÉ FUNKCE VYŠŠÍCH ŘÁDŮ
auto filter(const auto& cont, auto pred) {
using T = std::decay_t<decltype(*cont.begin())>;
std::vector<T> result;
for (auto& x : cont)
if (pred(x))
result.push_back(x);
return result;
}
• všimněte si: parametru pred nemůžeme předat generickou /
přetíženou funkci
7
filter2.cpp
FUNKČNÍ OBJEKTY
FUNKČNÍ OBJEKTY
Přetížený operator()
• vždy jako metoda; libovolný počet parametrů
• umožňuje volat objekty pomocí funkčního volání
class adder { // not the snake
int val;
public:
adder(int v) : val(v) {}
int operator()(int x) const { return x + val; }
};
8
op_fun_obj.cpp
FUNKČNÍ OBJEKTY
Použití generické funkce s funkčním objektem
struct even {
bool operator()(auto num) const {
return num % 2 == 0;
}
};
struct less_than {
int value;
bool operator()(int num) const {
return num < value;
}
};
auto v1 = filter(v, even{});
auto v2 = filter(v, less_than{5}); 9
filter3.cpp
FUNKČNÍ OBJEKTY VE STANDARDNÍ KNIHOVNĚ
std::plus, std::multiplies, …
• funkční objekty obalující
• aritmetické operace
• porovnání
• logické a bitové operace
• pro použití s generickým kódem
• (zejména s knihovnou algoritmů – uvidíme později)
10
LAMBDA-VÝRAZY
λ
Lambda expressions—lambdas—are a game changer in C++
programming. That’s somewhat surprising, because they bring no
new expressive power to the language. Everything a lambda can do is
something you can do by hand with a bit more typing. But lambdas
are such a convenient way to create function objects, the impact on
day-to-day C++ software development is enormous.
(Scott Meyers, Effective Modern C++)
11
LAMBDA-VÝRAZY
Anonymní funkce
Lexikální uzávěry (closures)
• možná znáte z Pythonu nebo jiných moderních jazyků
• (nepojmenované) funkční objekty definované uvnitř výrazů
• můžou zachytávat kontext
• lokální proměnné z místa definice
• typické použití:
• lokální funkční objekty
• s generickým kódem (algoritmy)
auto v1 = filter(v,
[](int num) { return num % 2 == 0; });
12
filter4.cpp
ANATOMIE LAMBDA-VÝRAZU
[chycený kontext](parametry) -> návratový typ { tělo }
• -> návratový typ se může vynechat
• dedukce z return
• jako auto návratový typ u funkcí
• parametry a tělo jako u funkcí
• generické parametry pomocí auto
• prázdný seznam parametrů () možno vynechat
• chycený kontext (capture) umožňuje uložit v objektu lambdy
hodnoty (lokálních) proměnných z místa, kde je vytvořena
13
LAMBDA-VÝRAZY
Typ lambdy
• speciální, programátorem nepojmenovatelný
• je třeba použít auto
• nebo std::function (uvidíme příště)
• (nebo šablony – mimo záběr předmětu)
• lambda s prázdným kontextem se dá implicitně konvertovat na
funkční ukazatel
Objekt lambdy
• funkční objekt
• životní cyklus jako jakýkoli jiný objekt
• chycený kontext – položky objektu
14
ZACHYTÁVÁNÍ KONTEXTU
• [] nic
• [=] všechny volné proměnné v těle lambdy hodnotou
• [&] všechny volné proměnné v těle lambdy referencí
• [x] proměnnou x hodnotou
• [&x] proměnnou x referencí
• [x, &y] proměnnou x hodnotou, proměnnou y referencí
• [=, &x] proměnnou x referencí, ostatní volné proměnné
v těle lambdy hodnotou
• [x = 42] uvnitř lambdy je nová položka s hodnotou 42
(deklarace jako pomocí auto)
• [x = std::move(x)] přesun objektu dovnitř lambdy
• [&x = value] zachycení proměnné value referencí
s přejmenováním na x
https://en.cppreference.com/w/cpp/language/lambda
15
LAMBDA SE ZACHYTÁVÁNÍM
auto less_than(auto value) {
return [=](auto num) { return num < value; };
}
• funkční objekt lambdy obsahuje položku value
• při inicializaci lambdy se do položky value zkopíruje hodnota
lokální proměnné (parametru) value
• použití [&] by zde byla chyba, proč?
• položka value v lambdě by byla referenčního typu
• lokální proměnná value zanikne při opuštění funkce
• dangling reference
16
filter4.cpp
CHYCENÝ KONTEXT
Vlastnictví
• položky zachycené hodnotou ([=], [x], [x = …])
• jsou vlastněny objektem lambdy
• pro [=], [x] kopie vnějších objektů,
u [x = …] dle inicializace
• jejich život zaniká po skončení života lambdy
• položky zachycené referencí ([&], [&x], [&x = …])
• jsou pouze reference
• objekt lambdy odkazované objekty nevlastní
• musíme zaručit, že odkazované objekty lambdu přežijí
17
CHYCENÝ KONTEXT
[a, &b, c = 1, &d = num](auto x) { tělo }
• typ této lambdy vypadá nějak takto:
class tajné_jméno {
typ_a a;
typ_b& b;
int c;
typ_num& d;
public:
auto operator()(auto x) const { tělo }
};
• a se inicializuje kopií lokální proměnné a
• b se inicializuje referencí na lokální proměnnou b
• c se inicializuje hodnotou 1
• d se inicializuje referencí na lokální proměnnou num 18
OPERÁTOR VOLÁNÍ
operator() lambdy
• implicitně const
• důsledek: položky zachycené hodnotou nesmíme modifikovat
• (položky zachycené referencí ano, const je plytké)
• chceme-li nekonstantní operátor, použijeme mutable:
[kontext](parametry) mutable { … }2
auto v3 = filter(v,
[i = 0](int num) mutable {
return num == i++;
});
2
prázdný seznam parametrů v tomto případě nemůžeme vynechat (do C++23)
19
filter4.cpp
ZACHYCENÍ AKTUÁLNÍHO OBJEKTU
[this]
• v lambdě definované uvnitř metody
• zachytí this hodnotou, tedy aktuální objekt jakoby referencí
• musíme zaručit, že aktuální objekt lambdu přežije
• uvnitř lambdy můžeme přistupovat k položkám / metodám
aktuálního objektu
• bez nutnosti psaní this
• jako bychom byli uvnitř metody
• this se implicitně zachytí též s [&]
[*this]
• zachytí aktuální objekt hodnotou
• tj. uvnitř lambdy bude uložena jeho kopie
20
this_capture.cpp
PŘÍKLAD: PROCHÁZENÍ STROMU
struct node {
using ptr = std::unique_ptr<node>;
int value;
ptr left, right;
void preorder(auto& fun) {
fun(value);
if (left) left->preorder(fun);
if (right) right->preorder(fun);
}
};
struct tree {
node::ptr root;
void preorder_visit(auto fun) {
if (root) root->preorder(fun);
}
}; 21
tree.cpp
TYPOVÉ KONVERZE
TYPOVÉ KONVERZE
Konverze pomocí konstruktoru
• směr cizí typ → náš typ
• libovolný konstruktor volatelný s jedním parametrem
• (pamatujte na implicitní parametry)
• implicitní
• (dá se zakázat pomocí explicit – mimo záběr předmětu)
class fraction {
int num, denom;
public:
fraction(int num = 0, int denom = 1)
: num(num), denom(denom) { normalize(); }
// ...
}; 22
convert.cpp
TYPOVÉ KONVERZE
Konverze pomocí operátoru
• směr náš typ → cizí typ
• operator typ
• musí být metoda, bez parametrů, bez typu návratové hodnoty
• implicitní
• (i zde můžeme použít explicit)
class fraction {
// ...
operator double() const {
return static_cast<double>(num) / denom;
}
// ...
};
23
convert.cpp
BONUS: IIFE
Immediately-Invoked Function Expression (IIFE)
• lambda, kterou okamžitě zavoláme
• použití jako „blok, který má hodnotu“
• tj. blok na místě výrazu
• (možná znáte z jiných jazyků)
• výhoda: omezená existence lokálních proměnných
• použití pro složitější inicializaci
• pro const proměnné, reference, …
24
iife.cpp