C++中的仿函數（function object）是一個重載了函數調用運算符（operator()）的類或結構體，在使用時可以像函數一樣調用。通過仿函數，C++程式員可以更加靈活地實現自己的演算法。 ...

仿函數

1.什麼是仿函數

1.定義和作用

仿函數是一種重載了函數調用運算符（operator()）的類或結構體，它可以像函數一樣被調用。仿函數可以在很多STL演算法中使用，例如sort、for_each、transform等，可以自定義排序規則、操作、條件等等。通過仿函數，C++程式員可以更加靈活地實現自己的演算法。

與普通函數不同，仿函數可以保存狀態，因此在使用仿函數時可以靈活地傳遞參數併進行計算，非常適用於一些複雜的演算法和數據結構的實現。

2.仿函數與函數指針的區別

在C++中，函數指針可以作為參數傳遞和返回值，但是函數指針只能指向函數，無法指向類成員函數和lambda表達式。而仿函數可以作為一種通用的函數封裝，可以指向函數、類成員函數以及lambda表達式，並且可以保存狀態。因此，仿函數比函數指針更加靈活和可擴展。

3.仿函數的調用方式

仿函數可以像函數一樣被調用

class MyFunctor {
public:
    void operator() (int i) {
        cout << i << endl;
    }
};
MyFunctor myFunctor;
myFunctor(123);
//結果
//123

在STL演算法中，仿函數也可以作為函數參數傳遞

vector<int> vec{3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};
sort(vec.begin(), vec.end(), greater<int>());
for_each(vec.begin(), vec.end(), MyFunctor());

其中，greater()是一個內置的仿函數對象，用於實現降序排列。

2.仿函數的分類

1.一元仿函數和二元仿函數

一元仿函數是指只有一個參數的仿函數

template <typename T>
struct MyFunctor1 {
    void operator() (T val) {
        cout << val << endl;
    }
};
template <typename T>
struct MyFunctor2 {
    T operator() (T val) {
        return val * val;
    }
};

二元仿函數是指有兩個參數的仿函數

template <typename T>
struct MyFunctor3 {
    bool operator() (T val1, T val2) {
        return val1 < val2;
    }
};

在STL演算法中，一元仿函數和二元仿函數通常用於排序、查找、遍歷等操作。

2.函數對象與謂詞

函數對象：返回值為任意類型的仿函數，例如std::plus，std::minus
謂詞：返回值為bool類型的仿函數，例如std::less，std::greater

3.函數適配器

函數適配器是一種特殊的仿函數，它用於將一個仿函數適配到另一個仿函數或函數對象上。STL中常用的函數適配器有：bind1st、bind2nd、not1、not2、logical_and、logical_or等

template <typename T>
struct MyFunctor4 {
    bool operator() (T val) {
        return val > 0;
    }
};
vector<int> vec{3, -1, 4, -1, 5, -9, 2, -6, 5, 3, -5};
count_if(vec.begin(), vec.end(), not1(MyFunctor4<int>()));
//結果
//3

其中，not1是一個函數適配器，它將MyFunctor4適配成一個返回相反值的仿函數對象，從而統計出vec中小於等於0的元素個數。

3.仿函數的實現

1.重載函數調用運算符

仿函數的實現首先要重載函數調用運算符（operator()），並根據需要定義參數和返回值

template <typename T>
struct MyFunctor1 {
    void operator() (T val) {
        cout << val << endl;
    }
};
template <typename T>
struct MyFunctor2 {
    T operator() (T val) {
        return val * val;
    }
};

其中，MyFunctor1是一個一元仿函數，用於輸出參數值，而MyFunctor2是一個一元仿函數，用於計算參數的平方。

2.使用模板類

仿函數通常是一個模板類，可以支持不同的參數類型

template <typename T>
struct MyFunctor3 {
    bool operator() (T val1, T val2) {
        return val1 < val2;
    }
};

其中，MyFunctor3是一個二元仿函數，用於比較兩個參數的大小。

3.使用函數適配器

仿函數也可以使用函數適配器來實現。例如，使用bind1st函數適配器將一個二元仿函數適配成一個一元仿函數

template <typename T>
struct MyFunctor4 {
    bool operator() (T val1, T val2) {
        return val1 < val2;
    }
};
MyFunctor4<int> myFunctor;
bind1st(myFunctor, 10)(5);
//結果
//false

其中，bind1st將myFunctor適配成一個只有一個參數的仿函數，第一個參數被綁定為10，然後用5調用這個仿函數，返回false。

4.實現一個簡單的加法仿函數

class AddFunctor{
public:
    AddFunctor(int n):m_n(n){}
    int operator()(int x) const{
        return x + m_n;
    }
private:
    int m_n;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個AddFunctor類，它帶有一個整型參數n，表示每次調用要加上的值。在調用運算符()時，返回x加上m_n的結果。

使用AddFunctor類，可以有如下示例

int main()
{
	AddFunctor add(3);
    int result = add(5);	//結果為8
    return 0;
}

4.仿函數的應用

在STL中，許多演算法都需要使用仿函數。例如：

std::sort()：對給定的序列進行排序，需要提供一個比較函數，用於指定排序的規則
std::for_each()：對給定的序列中的每個元素執行指定的操作，需要提供一個函數對象，用於指定操作
std::find_if()：在給定的序列中查找符合指定條件的第一個元素，需要提供一個謂詞，用於指定條件

通過使用仿函數，我們可以將演算法和數據結構解耦，是的演算法更加通用和靈活。

5.仿函數的註意事項

在使用仿函數時需要註意以下幾點

仿函數的效率問題：由於仿函數在調用時需要進行對象的構造和析構，因此在一些需要頻繁調用的場景中，使用仿函數可能會影響演算法的效率
仿函數的線程安全性：由於仿函數中可能會保存狀態，因此在多線程環境下使用時需要註意線程安全性問題

6.仿函數的優化

1.使用constexpr

在C++11中，可以使用constexpr關鍵字來聲明一個函數或變數是常量表達式，可以在編譯時計算。如果一個仿函數的operator()是一個常量表達式，可以使用constexpr來進行優化

template <typename T>
struct MyFunctor1 {
    constexpr T operator() (T val) const {
        return val * val;
    }
};

這樣，當使用MyFunctor1時，如果參數是一個常量表達式，那麼編譯器就可以在編譯時計算出結果，從而提高程式的執行效率。

2.使用inline

仿函數可以使用inline關鍵字來聲明為內聯函數，從而在編譯時將函數體直接嵌入到調用處，避免了函數調用的開銷

template <typename T>
struct MyFunctor2 {
    inline T operator() (T val) const {
        return val * val;
    }
};

3.使用lambda表達式

C++11引入了lambda表達式，可以方便地定義一個匿名仿函數。與普通的仿函數相比，使用lambda表達式可以減少代碼的冗餘，從而提高程式的可讀性和維護性

vector<int> vec{3, -1, 4, -1, 5, -9, 2, -6, 5, 3, -5};
auto count = count_if(vec.begin(), vec.end(), [](int val) { return val > 0; });

其中，lambda表達式[] (int val) { return val > 0; }定義了一個匿名仿函數，用於統計vec中大於0的元素個數。

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