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C++ 函数对象概述

来自代码酷


简介[编辑 | 编辑源代码]

函数对象(Function Object),也称为仿函数(Functor),是C++标准模板库(STL)中的一个重要概念。它是一个行为类似函数的对象,通过重载operator()运算符实现。函数对象可以像普通函数一样被调用,但具有对象的特性(如可以存储状态、继承等)。

函数对象在STL中广泛应用,例如在std::sortstd::for_each等算法中作为自定义比较或操作逻辑的载体。

基本语法[编辑 | 编辑源代码]

函数对象的核心是重载operator(),使其成为一个可调用的对象。以下是一个简单的函数对象示例:

#include <iostream>

// 定义一个函数对象类
struct Adder {
    int operator()(int a, int b) const {
        return a + b;
    }
};

int main() {
    Adder adder; // 创建函数对象实例
    std::cout << adder(3, 4) << std::endl; // 输出: 7
    return 0;
}

输出[编辑 | 编辑源代码]

7

函数对象的优势[编辑 | 编辑源代码]

与普通函数相比,函数对象具有以下优势: 1. 状态保持:函数对象可以存储内部状态(通过成员变量)。 2. 灵活性:可以作为模板参数传递,支持更复杂的逻辑。 3. 性能:编译器可以内联优化,减少函数调用开销。

示例:带状态的函数对象[编辑 | 编辑源代码]

#include <iostream>

class Counter {
    int count = 0;
public:
    int operator()() { return ++count; }
};

int main() {
    Counter counter;
    std::cout << counter() << std::endl; // 输出: 1
    std::cout << counter() << std::endl; // 输出: 2
    return 0;
}

输出[编辑 | 编辑源代码]

1
2

STL中的函数对象[编辑 | 编辑源代码]

C++标准库提供了许多预定义的函数对象(在<functional>头文件中),例如:

  • std::less(比较)
  • std::plus(加法)
  • std::negate(取反)

示例:使用STL函数对象[编辑 | 编辑源代码]

#include <iostream>
#include <functional>

int main() {
    std::plus<int> add;
    std::cout << add(5, 3) << std::endl; // 输出: 8

    std::less<int> compare;
    std::cout << compare(2, 5) << std::endl; // 输出: 1 (true)
    return 0;
}

输出[编辑 | 编辑源代码]

8
1

函数对象与Lambda表达式[编辑 | 编辑源代码]

C++11引入的Lambda表达式是匿名函数对象的语法糖。以下示例展示了两者的等价性:

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

int main() {
    std::vector<int> nums = {3, 1, 4, 1, 5};

    // 使用函数对象
    struct {
        bool operator()(int a, int b) const { return a > b; }
    } customGreater;
    std::sort(nums.begin(), nums.end(), customGreater);

    // 等价Lambda表达式
    std::sort(nums.begin(), nums.end(), [](int a, int b) { return a > b; });

    for (int n : nums) std::cout << n << " ";
    return 0;
}

输出[编辑 | 编辑源代码]

5 4 3 1 1

实际应用案例[编辑 | 编辑源代码]

案例1:自定义排序[编辑 | 编辑源代码]

在数据分析中,可能需要按特定规则排序:

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <string>

struct Person {
    std::string name;
    int age;
};

// 按年龄升序排序的函数对象
struct AgeSorter {
    bool operator()(const Person& a, const Person& b) const {
        return a.age < b.age;
    }
};

int main() {
    std::vector<Person> people = {{"Alice", 30}, {"Bob", 25}, {"Charlie", 35}};
    std::sort(people.begin(), people.end(), AgeSorter());
    // 结果: Bob(25), Alice(30), Charlie(35)
    return 0;
}

案例2:数学函数组合[编辑 | 编辑源代码]

函数对象可以实现数学函数的组合:

#include <iostream>
#include <cmath>

// 函数对象组合示例
template <typename F1, typename F2>
class Compose {
    F1 f1;
    F2 f2;
public:
    Compose(F1 f1, F2 f2) : f1(f1), f2(f2) {}
    template <typename T>
    auto operator()(T x) const { return f1(f2(x)); }
};

int main() {
    auto square = [](double x) { return x * x; };
    auto sin_then_square = Compose(square, (double(*)(double))std::sin);
    std::cout << sin_then_square(3.14159/2) << std::endl; // 输出: ~1.0
    return 0;
}

性能考虑[编辑 | 编辑源代码]

函数对象通常比函数指针更高效,因为:

  • 编译器可以内联调用
  • 避免了间接调用的开销

以下mermaid图展示了函数对象的调用流程:

进阶主题[编辑 | 编辑源代码]

对于高级用户,函数对象还可以: 1. 通过模板参数化(如std::function) 2. 实现柯里化(Currying) 3. 与SFINAE技术结合

数学表示示例(函数组合): (fg)(x)=f(g(x))

总结[编辑 | 编辑源代码]

函数对象是C++中强大的抽象工具,它:

  • 结合了函数和对象的优点
  • 在STL算法中广泛使用
  • 提供了比函数指针更灵活、更高效的解决方案

掌握函数对象是深入理解C++泛型编程和STL设计哲学的关键步骤。

Syntax error in graphmermaid version 9.1.1