仿函数

在 C++ 中，仿函数（Function Object 或 Functor） 是一种行为类似于函数的对象。仿函数是通过重载 operator() 运算符来实现的，这样一个对象就可以像函数一样调用。

仿函数的核心思想是：对象可以具有类似函数的行为，并且可以携带状态。这为设计灵活的函数调用方式提供了可能性，尤其是在 STL（标准模板库）中，仿函数被广泛应用于算法、容器操作等场景。

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1. 仿函数的基本概念

仿函数是通过在一个类中重载 operator() 运算符来实现的。这样，类的对象就可以被调用（表现得像一个函数）。

仿函数的基本语法

#include <iostream>
using namespace std;

class MyFunctor {
public:
    // 重载 operator()
    void operator()(int x) {
        cout << "Called with: " << x << endl;
    }
};

int main() {
    MyFunctor functor; // 创建仿函数对象
    functor(10);       // 像函数一样调用对象
    return 0;
}

输出

Called with: 10

在这个例子中，functor(10) 的调用会自动调用 MyFunctor 类的 operator() 函数。这样，functor 对象就表现得像一个函数。

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2. 仿函数的优点

1. 携带状态：
   仿函数可以包含成员变量，用于保存状态，而普通函数无法做到这一点。

2. 灵活性和可扩展性：
   仿函数是一个类，可以拥有额外的功能，如构造函数、成员函数等，提供比普通函数更多的功能和灵活性。

3. STL 算法支持：
   仿函数与 STL 算法（如 std::sort、std::for_each）配合得非常好，用于定义自定义的行为。

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3. 仿函数的应用

3.1 仿函数与 STL 算法结合

仿函数可以作为参数传递给 STL 算法，例如 std::sort。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

// 定义一个仿函数
class Compare {
public:
    bool operator()(int a, int b) {
        return a > b; // 降序排列
    }
};

int main() {
    vector<int> vec = {5, 2, 8, 1, 3};

    // 使用仿函数作为自定义排序规则
    sort(vec.begin(), vec.end(), Compare());

    for (int x : vec) {
        cout << x << " ";
    }

    return 0;
}

输出

8 5 3 2 1

说明：

• 仿函数 Compare 定义了一个自定义排序规则：返回 true 时表示 a 应该排在 b 的前面。
• std::sort 接受仿函数作为第三个参数，用于对容器中的元素进行排序。

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3.2 状态保存的仿函数

仿函数可以保存状态，普通函数无法做到这一点。

#include <iostream>
using namespace std;

class Adder {
    int value; // 保存状态
public:
    Adder(int v) : value(v) {}

    int operator()(int x) {
        return x + value; // 返回加上状态值后的结果
    }
};

int main() {
    Adder add5(5);   // 创建一个仿函数对象，保存状态值 5
    Adder add10(10); // 创建另一个仿函数对象，保存状态值 10

    cout << add5(3) << endl;  // 输出 8（3 + 5）
    cout << add10(3) << endl; // 输出 13（3 + 10）

    return 0;
}

输出

8
13

说明：

• 仿函数 Adder 内部保存了一个状态 value，通过构造函数进行初始化。
• 调用仿函数时，可以使用该状态进行计算，类似于闭包（closure）的效果。

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3.3 使用 STL 的 std::for_each

仿函数可以用于 STL 算法 std::for_each，实现对容器中每个元素的操作。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

// 定义一个仿函数，用于打印元素
class Print {
public:
    void operator()(int x) {
        cout << x << " ";
    }
};

int main() {
    vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用仿函数与 for_each
    for_each(vec.begin(), vec.end(), Print());

    return 0;
}

输出

1 2 3 4 5

说明：

• Print 仿函数定义了如何处理每个元素。
• std::for_each 将容器中的每个元素依次传递给仿函数。

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3.4 Lambda 表达式的替代

在现代 C++（C++11 及以上）中，仿函数可以被 Lambda 表达式 替代。Lambda 表达式更简洁，但仿函数在某些复杂场景下依然有优势。

等价于上面的 std::for_each 示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用 Lambda 表达式替代仿函数
    for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int x) {
        cout << x << " ";
    });

    return 0;
}

输出

1 2 3 4 5

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4. STL 中常见的仿函数

C++ STL 提供了一些常用的内置仿函数，主要定义在头文件 <functional> 中：

4.1 算术仿函数

• std::plus：加法。
• std::minus：减法。
• std::multiplies：乘法。
• std::divides：除法。
• std::modulus：取模。
• std::negate：取负。

#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std;

int main() {
    plus<int> add;           // 加法仿函数
    multiplies<int> multiply; // 乘法仿函数

    cout << add(3, 5) << endl;        // 输出 8
    cout << multiply(3, 5) << endl;  // 输出 15

    return 0;
}

4.2 逻辑仿函数

• std::equal_to：等于。
• std::not_equal_to：不等于。
• std::greater：大于。
• std::less：小于。
• std::greater_equal：大于等于。
• std::less_equal：小于等于。

4.3 逻辑操作仿函数

• std::logical_and：逻辑与。
• std::logical_or：逻辑或。
• std::logical_not：逻辑非。

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5. 仿函数与 Lambda 的对比

特性	仿函数	Lambda 表达式
状态管理	通过类的成员变量保存状态	捕获变量（自动或手动捕获）
代码长度	需要定义一个类，代码较长	简洁（C++11 及以上）
扩展性	灵活，可定义复杂行为	简单场景更适用
兼容性	C++98 开始支持	C++11 及以上支持

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总结

• 仿函数是通过重载 operator() 实现的对象，可以像函数一样调用。
• 仿函数能够保存状态，并灵活应用于 STL 算法。
• 在现代 C++ 中，仿函数仍然有其独特的作用，尤其是在复杂的场景中，而简单场景更推荐使用 Lambda 表达式。