C++仿函数以及STL内置仿函数

仿函数又称函数对象，本质是重载了operator()运算符的类的对象，可以和普通函数一样被调用。

一、仿函数基础概念

1. 什么是仿函数

仿函数不是函数，而是一个类类型的对象 。当我们给这个对象加上()调用运算符时，它会触发类中重载的operator()，从而实现类似函数的行为。

最简单的仿函数示例：

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义仿函数类
struct Add {
    // 重载函数调用运算符
    int operator()(int a, int b) const {
        return a + b;
    }
};

int main() {
    Add add; // 创建仿函数对象
    cout << add(3, 5) << endl; // 像函数一样调用，输出8
    cout << Add()(10, 20) << endl; // 临时对象调用，输出30
    return 0;
}

2. 仿函数的核心优势（为什么不用普通函数？）

仿函数解决了普通函数和函数指针的诸多局限性，是 STL 首选的可调用对象形式：

特性	普通函数	函数指针	仿函数
携带状态	❌ 只能通过全局变量	❌ 只能通过全局变量	✅ 可以作为类成员变量存储状态
性能	可内联	❌ 间接调用，无法内联	✅ 编译器可直接内联operator()
类型安全	✅	❌ 类型擦除，易出错	✅ 每个仿函数都是独立类型
泛型支持	差	差	✅ 完美适配模板元编程
可组合性	差	差	✅ 可通过适配器灵活组合

3. 仿函数的分类

根据operator()接受的参数个数，仿函数分为：

• 一元仿函数 ：接受 1 个参数，如negate<int>
• 二元仿函数 ：接受 2 个参数，如plus<int>
• 多元仿函数：C++11 后支持，但 STL 内置仿函数最多二元

二、STL 内置仿函数全解

STL 在<functional>头文件中提供了一套完整的通用仿函数，覆盖了所有基础运算，无需我们重复编写。它们都是模板类，可以适配任意数值类型。

1. 算术运算仿函数

用于执行基本的算术计算，全部是二元仿函数（除了negate是一元）。

仿函数	功能	等价表达式
plus<T>	加法	a + b
minus<T>	减法	a - b
multiplies<T>	乘法	a * b
divides<T>	除法	a / b
modulus<T>	取模	a % b
negate<T>	取反（一元）	-a

使用示例：

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

int main() {
    vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
    vector<int> b = {10, 20, 30, 40};
    vector<int> c(4);

    // 两个数组对应元素相加
    transform(a.begin(), a.end(), b.begin(), c.begin(), plus<int>());
    // c = {11, 22, 33, 44}

    // 所有元素取反
    transform(a.begin(), a.end(), a.begin(), negate<int>());
    // a = {-1, -2, -3, -4}

    return 0;
}

2. 关系运算仿函数

用于比较两个值的大小关系，全部是二元仿函数，返回bool类型。

仿函数	功能	等价表达式
equal_to<T>	等于	a == b
not_equal_to<T>	不等于	a != b
less<T>	小于	a < b
greater<T>	大于	a > b
less_equal<T>	小于等于	a <= b
greater_equal<T>	大于等于	a >= b

高频使用场景：

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

int main() {
    vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5, 9};

    // 降序排序（默认是less<int>()升序）
    sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());
    // v = {9, 5, 4, 3, 1, 1}

    // 统计大于5的元素个数
    int cnt = count_if(v.begin(), v.end(), bind(greater<int>(), placeholders::_1, 5));
    // cnt = 1

    return 0;
}

⚠️ 面试重点 ：std::sort默认使用less<T>()，实现升序排列；std::map/std::set默认也使用less<T>作为比较器，保证元素按升序存储。

3. 逻辑运算仿函数

用于执行布尔逻辑运算，返回bool类型。

仿函数	功能	等价表达式
logical_and<T>	逻辑与	a && b
logical_or<T>	逻辑或	`a		b`
logical_not<T>	逻辑非（一元）	!a

使用示例：

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

int main() {
    vector<int> v = {1, 6, 12, 18, 25};

    // 查找大于5且小于20的第一个元素
    auto it = find_if(v.begin(), v.end(), [](int x) {
        return logical_and<int>()(greater<int>()(x, 5), less<int>()(x, 20));
    });
    // it指向6

    return 0;
}

4. 位运算仿函数（C++11 新增）

用于执行整数的位运算。

仿函数	功能	等价表达式
bit_and<T>	按位与	a & b
bit_or<T>	按位或	`a	b`
bit_xor<T>	按位异或	a ^ b
bit_not<T>	按位取反（C++14）	~a