【C++】仿函数（Functor）

在 C++ 中，仿函数（Functor） 是一种特殊的对象，它通过重载 operator() 运算符使得类的实例可以像函数一样被调用。仿函数结合了面向对象和函数式编程的特点，常用于 STL 算法、回调机制和策略模式中。

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核心概念

1. 本质
   仿函数是一个类或结构体，通过定义 operator() 运算符，使对象可以像函数一样被调用。

2. 优势

   • 状态保持：可以保存内部状态（普通函数无法做到）。
   • 灵活性：可作为参数传递，比函数指针更安全、更高效（支持内联优化）。
   • 模板友好：泛型编程中兼容性更好。

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基本实现

#include 

// 定义一个仿函数类
class Adder {
public:
    Adder(int value) : increment(value) {}
    
    // 重载 operator()
    int operator()(int x) const {
        return x + increment;
    }

private:
    int increment;
};

int main() {
    Adder add5(5);      // 创建一个仿函数对象，每次加5
    std::cout << add5(10);  // 输出 15（调用 add5.operator()(10)）
    return 0;
}

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仿函数 vs 函数指针

特性	仿函数	函数指针
状态保持	✔️ 可以保存成员变量	❌ 无法保持状态
内联优化	✔️ 编译器可能内联	❌ 通常无法内联
泛型编程	✔️ 类型安全，适用于模板	❌ 类型转换可能不安全
灵活性	✔️ 可定义多种操作的重载	❌ 只能指向固定签名的函数

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应用场景

1. STL 算法
   仿函数广泛用于 STL 算法的自定义行为，例如排序、查找、变换等。

   #include 
   #include 
   
   struct Compare {
       bool operator()(int a, int b) const {
           return a > b;  // 降序排序
       }
   };
   
   int main() {
       std::vector<int> nums = {3, 1, 4, 1, 5};
       std::sort(nums.begin(), nums.end(), Compare());
       return 0;
   }
   

2. 策略模式
   通过传递不同的仿函数对象，动态改变算法行为。

   template <typename Strategy>
   void processData(Strategy strategy) {
       // 使用策略处理数据
       strategy.apply();
   }
   
   class FastStrategy {
   public:
       void apply() { /* 快速处理逻辑 */ }
   };
   
   class SafeStrategy {
   public:
       void apply() { /* 安全处理逻辑 */ }
   };
   

3. 状态保持
   保存多次调用的中间状态。

   class Counter {
   public:
       Counter() : count(0) {}
       int operator()() { return ++count; }
   private:
       int count;
   };
   
   Counter cnt;
   cnt();  // 返回1
   cnt();  // 返回2
   

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C++11 后的增强

1. Lambda 表达式
   Lambda 本质上是匿名仿函数，语法更简洁：

   auto add5 = [value=5](int x) { return x + value; };
   std::cout << add5(10);  // 输出15
   

2. std::function
   通用函数包装器，可存储仿函数、Lambda、函数指针等：

   #include 
   std::function<int(int)> func = add5;
   std::cout << func(10);  // 输出15
   

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总结

• 仿函数是 C++ 中强大的工具，结合了对象和函数的特性。
• 在需要状态保持、模板编程或策略模式时，优先考虑仿函数。
• 现代 C++ 中，Lambda 和 std::function 提供了更简洁的替代方案，但底层原理一致。