探索仿函数（Functor）：C++中的灵活函数对象

文章目录

一、仿函数定义及使用
二、仿函数与函数指针的区别
三、仿函数与算法的关系
四、仿函数的实践用例

在C++编程中，我们经常需要对数据进行排序、筛选或者其他操作。为了实现这些功能，C++标准库提供了许多通用的算法和容器，而其中一个重要的概念就是 仿函数（Functor） 。仿函数是一种行为类似函数的对象，它可以被当做函数使用，作为算法的参数传递，或者在容器中使用。本文将深入探讨仿函数的概念、用法以及在实际开发中的应用，希望能够帮助读者更好地理解和应用仿函数这一重要的编程概念。

一、仿函数定义及使用

仿函数（Functor） 是一种行为类似函数的对象，它可以被用作函数并接受参数。在C++中，仿函数通常是重载了函数调用运算符operator()的类对象。通过重载operator()，仿函数可以像函数一样被调用，并且可以保存状态信息。

按照操作数划分：假定某个类有一个重载的operator()，而且重载的operator()要求获取一个参数，我们就将这个类称为一元仿函数（unary functor） ；如果重载的operator()要求获取两个参数，就将这个类称为二元仿函数（binary functor）。

按照功能划分：可分为算数运算（Arithmetic） 、关系运算（Rational）、**逻辑运算（Logical）**三大类。

一个简单的例子是比较仿函数，它可以用来对数据进行排序。例如，可以定义一个比较仿函数来比较两个整数的大小，并将其传递给STL中的sort函数来进行排序。

以下是一个简单的比较仿函数的示例：

c++ 复制代码

// 定义一个比较仿函数
template<class T>
struct LessThan {
    bool operator()(T a, T b) const { return a < b;}
};
int main() {
    LessThan<int> lessThan; // 创建比较仿函数对象
    std::cout << lessThan(3, 5) << std::endl; // 使用仿函数对象进行比较
    std::cout << LessThan<int>()(3, 5) << std::endl; // 使用仿函数对象进行比较
    return 0;
}

在这个例子中，LessThan是一个仿函数，重载了operator()来进行比较。在main函数中，我们创建了LessThan的对象lessThan，并使用它来比较两个整数的大小。要将某种操作当做算法的参数，唯一的办法就是先将该操作（可能用于数条以上的指令）设计为一个函数，再将函数指针当作一个算法的一个参数，或是将该操作设计为一个所谓的仿函数（从语言层次来看就是一个class），再以该仿函数产生一个对象，并以此对象作为算法参数的一部分。

c++ 复制代码

//一元仿函数，
struct SetKeyOfT{
    const K& operator()(const K& key){ return key; }
};
struct MapKeyOfT{
    const K& operator()(const pair<K, V>& kv) { return kv.first; }
};

这两个仿函数（也称为函数对象）分别用于提取不同类型数据的键（key）。仿函数的主要目的是提供一个可调用对象，通常用于算法中作为自定义的比较或操作函数。

仿函数SetKeyOfT是设计用来从单独的键（类型为K）中提取键本身。它重载了operator()，使其能够接受一个类型为K的常量引用作为参数，并返回该键的常量引用。

仿函数MapKeyOfT用于从pair<K, V>中提取键（first成员）。在C++标准库中，pair是一个模板类，通常用于表示键值对，例如在map和unordered_map等容器中。这个仿函数通过重载operator()，使其能够接受一个pair<K, V>类型的常量引用作为参数，并返回该pair的键（first成员）的常量引用。

这在实际应用中可能看起来有些多余，但是在我们模仿实现一些数据结构时可以起到作用（如仿写set 和 map）。通过使用仿函数，我们可以将函数对象作为参数传递给其他函数，或者将其存储在容器中，从而实现更灵活的编程和功能组合。

二、仿函数与函数指针的区别

函数指针也可以当作参数传递给算法当参数。但是函数指针不能满足 STL对抽象性的要求，即无法和STL其他组件搭配。

在STL（标准模板库）中，仿函数（也称为函数对象）与算法之间存在着密切的关系。STL算法通常接受仿函数作为参数，以便能够自定义算法的行为。这种灵活性使得STL算法能够适用于各种不同的场景，而不仅仅是预定义的操作。

仿函数（functor）和函数指针在编程中虽然都有其独特的应用场景，但它们在实现方式、使用灵活性和抽象层次等方面存在显著的区别。

首先，仿函数是一个类的实例，通过重载operator()操作符，使得这个类的对象可以像函数一样被调用。这使得仿函数在行为上表现得像一个函数，但实际上它拥有类的所有特性，如数据成员和成员函数。因此，仿函数可以封装更复杂的状态和行为，并且可以在类定义中提供更多的灵活性和控制。

相比之下，函数指针是一个指向函数的指针变量。它本身是一个指针，指向的是函数的入口地址。函数指针主要用于在运行时动态地调用不同的函数，或者将函数作为参数传递给其他函数。然而，函数指针的使用受到一定的限制，因为它只能指向已定义的函数，而不能封装更复杂的状态或行为。

在抽象层次上，仿函数提供了比函数指针更高层次的抽象。仿函数可以看作是函数指针的泛化，它不仅能够像函数指针一样动态地调用不同的函数，还能够封装更多的状态和行为。这使得仿函数在使用STL算法等需要高度抽象和灵活性的场合中更为适用。

三、仿函数与算法的关系

首先仿函数在STL中的作用是极大的。

仿函数在STL中的主要作用是提供一种可以像函数一样调用的对象。它们通常通过重载operator()来定义自己的行为，从而可以在算法中作为参数传递，以决定算法如何操作元素。

算法通常与仿函数进行结合

STL算法是高度通用化的，它们通过接受仿函数作为参数来适应不同的操作需求。例如，std::sort算法可以对容器进行排序，但它并不直接定义如何比较元素。相反，它接受一个仿函数作为参数，该仿函数定义了如何比较元素。这样，你可以为不同的数据类型或排序需求提供不同的比较逻辑。

同样，std::transform算法可以对容器中的元素进行转换，它接受一个仿函数来定义转换的逻辑。你可以提供一个仿函数来执行任何你想要的转换操作。下面是一个使用仿函数进行排序的示例：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;
// 定义一个仿函数，用于比较两个整数的大小
struct CompareInts {
    bool operator()(const int& a, const int& b) const{ return a < b; }
    // 升序比较
};
int main() {
    vector<int> vec = {5, 2, 8, 1, 9};
    // 使用sort算法和自定义的仿函数进行排序
    sort(vec.begin(), vec.end(), CompareInts());
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了一个名为CompareInts的仿函数，它重载了operator()来定义如何比较两个整数。然后，我们将这个仿函数作为第三个参数传递给sort算法，以便按照升序对整数进行排序。

仿函数比起一般函数具有很多优点，以下描述错误的是( C )

A.在同一时间里，由某个仿函数所代表的单一函数，可能有不同的状态

B.仿函数即使定义相同，也可能有不同的类型

C.仿函数通常比一般函数速度快

D.仿函数使程序代码变简单

A.仿函数是模板函数，可以根据不同的类型代表不同的状态

B.仿函数是模板函数，可以有不同类型

C.仿函数是模板函数，其速度比一般函数要慢,故错误

D.仿函数在一定程度上使代码更通用，本质上简化了代码

⚠️我们如果要使用STL内建的仿函数，都必须含 <functional>头文件。

四、仿函数的实践用例

我们拿leetoce中的题目来做案例：692. 前K个高频单词 - 力扣（LeetCode）。题目如下：

给定一个单词列表 words 和一个整数 k ，返回前 k 个出现次数最多的单词。

返回的答案应该按单词出现频率由高到低排序。如果不同的单词有相同出现频率， 按字典顺序 排序。

示例 1：

输入: words = ["i", "love", "leetcode", "i", "love", "coding"], k = 2
输出: ["i", "love"]
解析: "i" 和 "love" 为出现次数最多的两个单词，均为2次。
    注意，按字母顺序 "i" 在 "love" 之前。

示例 2：

输入: ["the", "day", "is", "sunny", "the", "the", "the", "sunny", "is", "is"], k = 4
输出: ["the", "is", "sunny", "day"]
解析: "the", "is", "sunny" 和 "day" 是出现次数最多的四个单词，
    出现次数依次为 4, 3, 2 和 1 次。

注意：

1 <= words.length <= 500
1 <= words[i] <= 10
words[i] 由小写英文字母组成。
k 的取值范围是 [1, 不同 words[i] 的数量]

c++ 复制代码

class Solution {
public:
    class Com{
    public:
        bool operator()(const pair<string,int> &kv1, const pair<string,int> &kv2){
            return kv1.second > kv2.second || 
            (kv1.second == kv2.second && kv1.first < kv2.first) ;
        }
    };
    vector<string> topKFrequent(vector<string>& words, int k) {
        map<string,int > mp;
        for(auto &e : words)
            mp[e]++;

        vector<pair<string,int>> ans(mp.begin(),mp.end()); 
        sort(ans.begin(),ans.end(),Com());
        auto it = ans.begin();

        vector<string> ret;
        while(k--){
            ret.push_back(it->first);
            it++;
        }
        return ret;
    }
};

Com是一个嵌套的仿函数，它重载了operator()以提供自定义的比较逻辑。这个仿函数用于对pair<string, int>类型的元素进行比较，其中string代表单词，int代表该单词的出现频率。

整体解题思路如下：

统计频率 ：topKFrequent函数首先遍历输入的字符串数组words，并使用map数据结构mp统计每个单词的出现频率。
创建向量 ：接着，它将map中的元素（键值对）复制到一个vector<pair<string, int>>类型的向量ans中。
排序：然后，它使用sort函数对ans进行排序。排序时使用了之前定义的仿函数Com作为比较函数，因此排序结果会按照单词频率的降序和字典序的升序进行排列。
提取结果 ：最后，程序使用一个迭代器it遍历排序后的ans，并将前k个单词（即频率最高的k个单词）添加到结果向量ret中。
返回结果 ：函数返回包含前k个最频繁单词的ret向量。

本题通过使用仿函数实现了自定义的比较逻辑，这种比较逻辑确保了在排序后，出现频率高的单词会排在前面，如果频率相同，则字典序小的单词排在前面。使得我们可以按照特定的顺序对单词进行排序，并最终提取出出现频率最高的前k个单词。