【C++ STL仿函数】详细介绍

在C++标准模板库（STL）中，仿函数（Functor），也称为函数对象，是一个行为类似函数的对象。仿函数通过重载函数调用运算符 ()，使对象可以像函数一样被调用。仿函数在STL中广泛用于算法和容器的自定义操作，因为它们不仅可以像普通函数一样调用，还可以携带状态和数据，从而提供更强的灵活性和功能性。

1. 仿函数的基本概念

仿函数是一个类或结构体的对象，该类或结构体重载了函数调用运算符 ()。当我们创建一个仿函数的实例并使用 () 调用它时，实际上是在调用该对象的 operator() 方法。

示例：简单的仿函数

#include <iostream>

struct Square {
    
    
    int operator()(int x) const {
    
    
        return x * x;
    }
};

int main() {
    
    
    Square square;
    std::cout << square(5) << std::endl; // 输出 25
    return 0;
}

在这个例子中，Square 是一个仿函数，它的 operator() 方法计算输入整数的平方。

2. 仿函数与普通函数的对比

普通函数是编译时无法携带状态的，而仿函数可以通过成员变量存储状态，从而在调用时使用这些状态。

示例：携带状态的仿函数

#include <iostream>

struct Adder {
    
    
    int base;
    
    Adder(int b) : base(b) {
    
    }

    int operator()(int x) const {
    
    
        return base + x;
    }
};

int main() {
    
    
    Adder add5(5);
    std::cout << add5(10) << std::endl; // 输出 15
    return 0;
}

在这个例子中，Adder 仿函数通过 base 成员变量携带了一个状态 5，并在每次调用时将其与输入值相加。

3. STL中的仿函数

STL 中的许多算法和容器都可以使用仿函数。例如，std::sort 可以通过仿函数自定义排序规则，std::for_each 可以使用仿函数执行特定操作。

示例：使用仿函数进行排序

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>

struct Greater {
    
    
    bool operator()(int a, int b) const {
    
    
        return a > b;
    }
};

int main() {
    
    
    std::vector<int> vec = {
    
    1, 5, 3, 2, 4};
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), Greater());

    for (int v : vec) {
    
    
        std::cout << v << " "; // 输出 5 4 3 2 1
    }
    return 0;
}

在这个例子中，Greater 仿函数用于指定排序时应使用大于关系，从而实现降序排序。

4. 标准库中的仿函数

C++ 标准库（尤其是在 <functional> 头文件中）提供了许多常用的仿函数。它们大多是用于常见操作的模板类。

算术仿函数：std::plus、std::minus、std::multiplies、std::divides、std::modulus、std::negate。

例如，std::plus<int>()(3, 4) 返回 7，相当于 3 + 4。
关系仿函数：std::equal_to、std::not_equal_to、std::greater、std::less、std::greater_equal、std::less_equal。

例如，std::greater<int>()(4, 3) 返回 true。
逻辑仿函数：std::logical_and、std::logical_or、std::logical_not。

例如，std::logical_and<bool>()(true, false) 返回 false。
位运算仿函数：std::bit_and、std::bit_or、std::bit_xor、std::bit_not。

5. 绑定器和适配器

C++ 还提供了一些工具，可以将仿函数、函数指针或普通函数进行“绑定”或“适配”，从而改变其行为或简化调用。

std::bind：可以将仿函数的某些参数绑定为固定值，从而创建新的仿函数。

#include <iostream>
#include <functional>

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

int main() {
      
      
    auto add5 = std::bind(add, 5, std::placeholders::_1); // 将第一个参数固定为 5
    std::cout << add5(3) << std::endl; // 输出 8
    return 0;
}

std::function：是一个通用的函数包装器，可以保存任何可调用对象（包括仿函数、函数指针、lambda 表达式等）。

#include <iostream>
#include <functional>

int main() {
      
      
    std::function<int(int, int)> func = [](int a, int b) {
      
       return a * b; };
    std::cout << func(3, 4) << std::endl; // 输出 12
    return 0;
}

6. Lambda表达式与仿函数

在现代C++中，lambda表达式（匿名函数）提供了一种更简洁的方式来创建临时仿函数。Lambda 表达式常用于算法中进行自定义操作，替代传统的仿函数类。

示例：使用lambda替代仿函数

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    
    
    std::vector<int> vec = {
    
    1, 5, 3, 2, 4};
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) {
    
     return a > b; });

    for (int v : vec) {
    
    
        std::cout << v << " "; // 输出 5 4 3 2 1
    }
    return 0;
}

在这个例子中，lambda表达式 [](int a, int b) { return a > b; } 实现了与前面 Greater 仿函数相同的功能，但代码更简洁。

7. 自定义仿函数的用途

仿函数在STL中有很多应用场景：

自定义排序规则：通过仿函数定制排序算法中的排序逻辑。
自定义操作：在 std::for_each 等算法中，通过仿函数执行复杂的操作。
状态管理：通过仿函数的成员变量在算法中保存状态信息。

8. 总结

仿函数是C++中一个强大且灵活的特性，它结合了对象的状态和函数的行为，使得在STL中使用自定义操作变得更加方便。通过理解仿函数的概念和应用，程序员可以编写出更灵活、更高效的代码。

关键点总结：

仿函数是对象化的函数：它们通过重载 operator() 来实现函数调用的行为。
标准库提供了常用的仿函数：如算术、关系、逻辑、位运算等仿函数。
仿函数可以携带状态：这使得它们比普通函数更加灵活。
Lambda 表达式是现代 C++ 中更简洁的仿函数实现方式。