std::function و std::bind

جزء من قسم البرمجة كائنية التوجه في رحلة C++ على Coddy. الدرس 86 من 104.

على الرغم من أن lambdas قوية، تحتاج أحيانًا إلى تخزين كائنات قابلة للاستدعاء ذات أنواع مختلفة بطريقة موحّدة، أو تكييف function موجودة لتطابق توقيعًا مطلوبًا. تحلّ std::function وstd::bind من الترويسة <functional> هذه المشكلات.

std::function هو غلاف يخفي النوع ويمكنه الاحتفاظ بأي عنصر قابل للاستدعاء يطابق توقيعًا محددًا - مثل الدوال أو تعبيرات لامبدا أو كائنات الدوال:

#include <iostream>
#include <functional>

int add(int a, int b) { return a + b; }

int main() {
    std::function<int(int, int)> operation;
    
    operation = add;                              // دالة عادية
    std::cout << operation(3, 4) << "\n";        // 7
    
    operation = [](int a, int b) { return a * b; }; // لامدا
    std::cout << operation(3, 4) << "\n";        // 12
}

تنشئ std::bind دالة قابلة للاستدعاء جديدة من خلال تثبيت بعض arguments الخاصة بـfunction موجودة. استخدم std::placeholders::_1 و_2 وما إلى ذلك لوضع علامات على arguments التي تظل متغيرة:

#include <iostream>
#include <functional>

void greet(const std::string& greeting, const std::string& name) {
    std::cout << greeting << ", " << name << "!\n";
}

int main() {
    using namespace std::placeholders;
    
    auto sayHello = std::bind(greet, "Hello", _1);
    sayHello("Alice");  // مرحبًا، أليس!
    
    auto swapped = std::bind(greet, _2, _1);
    swapped("Bob", "Hi");  // أهلًا، بوب!
}

تُعد هذه الأدوات مفيدة بشكل خاص في البرمجة كائنية التوجه (OOP) لتخزين دوال ردّ الاتصال كأعضاء في الأصناف أو لتنفيذ نمط Strategy. ومع ذلك، غالبًا ما تفضّل C++ الحديثة استخدام lambdas بدلًا من std::bind لتحسين قابلية القراءة والأداء؛ استخدم std::bind بشكل أساسي عندما تحتاج إلى إعادة ترتيب الوسائط أو العمل مع تعليمات برمجية قديمة.

التحدي

سهل

لنبنِ آلة حاسبة قابلة للتهيئة توضّح قوة std::function وstd::bind. ستنشئ نظامًا يمكن فيه تخزين العمليات الرياضية وتبديلها وتخصيصها أثناء التشغيل، موضحًا كيف تتيح هذه الأدوات إدارة مرنة لـ callback.

ستنظّم الكود في ثلاثة ملفات:

MathOperations.h: Declare مجموعة من الدوال الرياضية المستقلة التي ستعمل كمكتبة العمليات الخاصة بك.
Create هذه الدوال:
- add(int a, int b): تُرجع المجموع
- subtract(int a, int b): تُرجع difference (a - b)
- multiply(int a, int b): تُرجع حاصل الضرب
- power(int base, int exponent, int multiplier): تُرجع multiplier * (base ^ exponent). استخدم حلقة بسيطة لحساب الأس (assume أن exponents غير سالبة).
Calculator.h: Declare فئة Calculator تستخدم std::function لتخزين العمليات وتنفيذها ديناميكيًا.
يجب أن تحتوي Calculator على:
- عضو خاص من النوع std::function<int(int, int)> لتخزين العملية الثنائية current
- setOperation(std::function<int(int, int)> op): تضبط العملية current
- calculate(int a, int b): Executes العملية المخزنة وتُرجع النتيجة
Include الترويسات اللازمة (<functional>) وتأكد من تضمين ترويسة MathOperations الخاصة بك.
main.cpp: اقرأ ثلاثة inputs:
1. اسم العملية: add، subtract، multiply، أو square
2. العدد first (integer)
3. العدد الثاني (integer)
Create كائنًا من Calculator وConfigureه استنادًا إلى اسم العملية:
- بالنسبة إلى add وsubtract وmultiply: assign الـ corresponding function مباشرةً إلى الآلة الحاسبة
- بالنسبة إلى square: استخدم std::bind لإنشاء نسخة متخصصة من power تستخدم دائمًا exponent يساوي 2 وmultiplier يساوي 1. يجب أن تقبل الدالة bound argumentين، بحيث يُستخدم first فقط بوصفه base (ويمكن تجاهل argument الثاني باستخدام placeholder).
بعد ضبط العملية، استدعِ calculate() باستخدام رقميك واطبع:
```
Result: [value]
```
ثم Demonstrate تبديل العمليات عبر Assign lambda تُرجع a + b + 100 إلى الآلة الحاسبة، وتشغيلها باستخدام نفس inputs، وطباعة:
```
With bonus: [value]
```

على سبيل المثال، باستخدام inputs add و10 و5:

Result: 15
With bonus: 115

باستخدام inputs multiply و7 و3:

Result: 21
With bonus: 110

باستخدام inputs square و4 و0:

Result: 16
With bonus: 104

يوضح هذا التحدي كيف توفر std::function طريقة موحدة لتخزين أنواع مختلفة من callable (الدوال العادية، والدوال bound، وlambdas)، بينما تتيح لك std::bind تكييف الدوال الموجودة عبر تثبيت بعض arguments الخاصة بها.

جرّب بنفسك

#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include "Calculator.h"

using namespace std;

int main() {
    // اقرأ المدخلات
    string operation;
    int num1, num2;
    cin >> operation >> num1 >> num2;
    
    // أنشئ كائن Calculator
    Calculator calc;
    
    // TODO: اضبط الحاسبة بناءً على اسم العملية
    // بالنسبة لـ "add" و "subtract" و "multiply": عيّن الدالة المقابلة مباشرة
    // بالنسبة لـ "square": استخدم std::bind لإنشاء نسخة متخصصة من power
    //   التي تستخدم دائمًا الأس 2 والمضاعف 1
    //   تلميح: استخدم std::placeholders::_1 لوسيط الأساس
    
    if (operation == "add") {
        // ضع كودك هنا
    } else if (operation == "subtract") {
        // ضع كودك هنا
    } else if (operation == "multiply") {
        // ضع كودك هنا
    } else if (operation == "square") {
        // ضع كودك هنا - استخدم std::bind مع دالة power
    }
    
    // TODO: استدعِ calculate() واطبع النتيجة
    // التنسيق: "Result: [value]"
    
    // TODO: أظهر تبديل العمليات
    // عيّن لامدا تُرجع a + b + 100 إلى الحاسبة
    // استدعِ calculate() مرة أخرى واطبع النتيجة
    // التنسيق: "With bonus: [value]"
    
    return 0;
}