C++ 中的函数调用运算符重载

引言

C++ 保持流行的原因之一是其灵活性以及编写高效且富有表现力的代码的能力。使 C++ 更灵活的一种方法是使用运算符重载，这是一项更高级的功能。除了常见的重载运算符，如 +、-、*、/，还有一个具有更多自定义可能性的运算符 - 函数调用运算符 ()。

问题陈述

假设您有一个表示数学函数或函数对象的类。通常，我们会使用 evaluate() 或 calculate() 等成员函数来激活此类功能。但是，如果可以通过像函数一样调用对象方法呢？这难道不更简单、更整洁吗？函数调用运算符重载在这种情况下就派上了用场。

理解函数调用运算符重载

在 C++ 中，我们可以像重载任何其他运算符一样重载函数调用运算符()。它看起来像一个方法调用：object(arguments)。当为类重载此运算符时，它决定了其实例的对象在方法调用方面的行为。

示例

让我们看一个实际示例来理解如何重载函数调用运算符。考虑一个名为 Multiplier 的类，它将给定值乘以一个因子。这是一个基本示例：

在此示例中，函数调用运算符 operator() 已重载以执行乘法运算。现在，我们可以像函数一样使用 Multiplier 对象：

程序 1

让我们来看一个 C++ 程序来说明函数调用运算符的重载。

输出

Result: 10

说明

• 在此示例中，我们定义了 Multiplier 类，它有一个私有成员 factor 和一个初始化 factor 的构造函数。
• 类中的函数调用运算符() 已重载，以执行乘法运算。
• 在 main() 函数中，我们创建了一个 Multiplier 实例 multiplyBy2，其因子为 2.0。
• 之后，我们将 multiplyBy2 用作函数，将 5.0 作为参数传递，并将结果存储在 result 变量中。
• 最后，我们将结果打印到控制台，输出将是 Result: 10.0。

时间和空间复杂度

1. 构造函数 (Multiplier(double f))

• 此构造函数初始化成员变量 factor，这是一个真正的时间复杂度为常数的操作 (O(1))。初始化所需的时间不取决于输入大小或迭代过程。因此，构建 Multiplier 对象成为一个常数时间过程。

2. 重载的函数调用运算符 (operator()(double value) const)

• 在 Multiplier 类中，函数调用运算符将 value 乘以 factor。此操作的时间复杂度也为 O(1)，因为它涉及基本的算术运算，并且不取决于输入大小或迭代过程。

3. Main 函数 (main())

• 在 main() 函数中，我们创建了一个 Multiplier 类的实例并调用了重载的函数调用运算符。这些操作的时间复杂度也为常数 (O(1))，因为它们是基本的函数调用和变量赋值，不随输入大小而扩展。

给定代码片段的时间复杂度为常数 (O(1))。执行时间保持不变且高效，与输入值或函数调用次数无关。

代码片段的总空间复杂度为常数 (O(1))。无论输入值或调用的函数数量如何，内存使用量都保持不变且高效。

重载函数调用运算符 () 的优势

C++ 中运算符重载的几个优点如下：

• 自然语法：使用函数调用语法使代码更易于阅读和理解，特别是对于可调用对象，例如模仿它们且表现得像函数和函数对象的对象。
• 封装：重载的 operator() 使我们能够将复杂的功能封装在类中。它促进了更好的代码组织和重用。
• 多功能性：在函数调用上下文中的使用方面，我们可以操纵对象的行为，从而在其与用户的交互方面实现灵活性。

需要考虑的点

• const 正确性：如果重载的 operator() 不会改变对象的状态，请确保 const 性，以实现 const 正确性并提高代码的安全性。
• 参数类型：检查重载的函数调用运算符的参数类型和返回类型是否匹配，并且应与我们打算使用类的方式和含义一致。
• 避免歧义：注意不要以可能导致歧义或混淆的方式重载多个运算符。遵循清晰的命名约定和逻辑设计选择。

程序 2

让我们来看另一个 C++ 程序来说明函数调用运算符的重载。

输出

58 64 
139 154

说明

矩阵类的定义

数学矩阵由 Matrix 类表示。它有三个私有成员：矩阵数据 (data)、行数 (rows) 和列数 (cols)。

1. 矩阵构造函数 (Matrix(int r, int c))

• 构造函数初始化一个具有指定行数 (r) 和列数 (c) 的矩阵对象。它使用向量的向量 (std::vector<std::vector<int>> data) 来存储矩阵中的元素，并最初将所有元素设置为零。

2. 函数调用运算符重载 (operator()(int i, int j))

• 函数调用运算符已重载，允许使用 matrixObject(i, j) 语法访问或修改矩阵元素。
• 它返回对矩阵中第 i 行和第 j 列的元素的引用。
• 两个矩阵之间的乘法运算符重载 (operator*(const Matrix& other) const)
• 矩阵乘法运算符 (*) 在两个 Matrix 对象之间重载。在这种情况下，它将另一个 Matrix 对象 (other) 作为 const 引用，并返回一个新的 Matrix 对象中的矩阵乘法结果。
• 乘法算法遵循标准的规则，使用嵌套循环。

3. 显示函数 (display())

• display() 函数以可读格式将矩阵打印到控制台。
• 它遍历矩阵元素，打印每个元素，后面跟着一个空格，并为每一行换行。

4. 主函数

• 在 main() 函数中，我们使用 Matrix 类构造函数创建了两个矩阵 A 和 B。
• 我们使用重载的函数调用运算符为矩阵 A 和 B 中的元素设置值。
• 之后，我们使用重载的乘法运算符执行矩阵乘法 (C = A * B)，并将结果存储在矩阵 C 中。
• 最后，我们使用 display() 函数显示结果矩阵 C。

时间复杂度

• 构造函数 (Matrix(int r, int c))：构造函数初始化一个 r x c 大小的矩阵，这需要为矩阵元素分配内存。此操作的时间复杂度为 O(r * c)，因为它涉及初始化矩阵的所有元素。
• 重载的函数调用运算符 (operator()(int i, int j))：使用函数调用运算符访问或修改矩阵中的元素具有常数时间复杂度 O(1)，因为它直接访问该元素。
• 矩阵乘法 (operator*)：矩阵乘法涉及对两个矩阵的行、列和内部维度进行嵌套循环。在这种情况下，矩阵乘法的时间复杂度为 O(rows_A * cols_A * cols_B)。
• 显示函数 (display())：使用 display() 函数打印矩阵需要遍历矩阵的所有元素一次，时间复杂度为 O(rows * cols)。

空间复杂度

• 矩阵对象 (Matrix A(rows, cols))：矩阵对象的时间复杂度为 O(rows * cols)，因为它需要内存来存储矩阵的所有元素。
• 矩阵乘法 (operator*)：矩阵乘法结果 (Matrix C) 的空间复杂度也为 O(rows * cols)，因为它存储了乘积矩阵。
• 显示函数 (display())：显示函数不需要与输入大小成比例的额外空间，因此其空间复杂度为常数 O(1)。

结论

总而言之，在 C++ 中重载函数调用运算符为创建富有表现力且直观的代码打开了无限的可能性。通过利用此功能，我们可以设计出模仿可调用实体的类，为使用代码的开发人员提供无缝且自然的体验。无论我们处理的是数学函数、函数对象还是自定义行为，掌握函数调用运算符重载的艺术都可以显著提高 C++ 代码库的优雅性和可用性。