C++八股——函数对象

news2025/5/12 14:41:09

文章目录

- 一、仿函数
- 二、Lambda表达式
- 三、bind
- 四、function

一、仿函数

仿函数：重载了操作符()的类，也叫函数对象

特征：可以有状态，通过类的成员变量来存储；（有状态的函数对象称之为闭包）

样例：

class Add {
public:
    void operator() (int count) {
        i += count;
        cout << "i:" << i << endl;
    }
    
    int operator() (int a, int b) {
        return a + b;
    }
    
    int i = 0; // 状态
};

二、Lambda表达式

Lambda表达式是一种方便创建匿名函数的语法糖，简化函数对象的创建，常用于需要短小逻辑的场景（如 STL 算法）。

语法：

[捕获列表](参数列表) mutable -> 返回类型 { 函数体 }

捕获列表：定义如何捕获外部变量，本质是将外部变量转变为类的成员变量
- [=]：值捕获所有外部变量，只可读，不能修改
- [&]：引用捕获所有外部变量，可读可写
- [a, &b]：显示指定，值捕获a，引用捕获b
mutable：加上此关键字，允许修改值捕获的变量（值捕获的外部变量成为函数的状态，并不会改变实际的外部变量值）
返回值类型：由于有类型推导，所以可以省略

底层原理：

编译器将 lambda 转换为一个仿函数，重载 operator()。例如：

/*
int i = 0;
auto func = [i](int count) mutable -> void {
    i++;
    cout << "count:" << count << " i:" << i << endl;
};
*/
class LambdaFun {
public:
    LambdaFun(int _i) : i(_i) {}
    void operator() (int count) {
        i++;
    	cout << "count:" << count << " i:" << i << endl;
    }
private:
    int i;
};

例子：

std::vector<int> nums = {3, 1, 4};
std::sort(nums.begin(), nums.end(), [](int a, int b) { return a > b; });
// 降序排序

三、bind

std::bind是用来通过绑定可调用对象以及参数生成新的可调用对象，支持参数顺序调整和部分参数绑定。

用法：

#include <functional>
auto new_callable = std::bind(原函数, 绑定参数列表);

占位符：std::placeholders::_1, _2, ... 表示未绑定的参数位置

底层原理：

编译器将 bind 转换为一个仿函数，重载 operator()。例如：

// auto f = std::bind(add, 10, 20);
class BindFun {
public:
    BindFun(function<int(int, int)> _fn, int _a, int _b) : fn(_fn), a(_a), b(_b) {}
    int operator()() const {
        return fn(a, b);
    }
private:
    function<int(int, int)> fn;
    int a, b;
};

// auto f = std::bind(&Add::add, &tmp, 10, std::placeholders::_1);
class BindCFun {
public:
    // 此处定义了一个类型别名Fn为指向Add类中参数为(int, int),返回值为int的成员函数的指针
    typedef int (Add::*Fn)(int, int);
    BindCFun(Fn _fn, Add *_c, int _a) : fn(_fn), c(_c), a(_a) {}
    int operator()(int b) const {
        return (c->*fn)(a, b);
    }
private:
    Fn fn;
    Add *c;
    int a;
};

样例：

绑定普通函数

int add(int a, int b) {
    return a + b; 
}
auto f = std::bind(add, 10, std::placeholders::_1);
int c = f(20); // c = 30

绑定类成员函数

class Add {
public:
    int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
};
Add tmp;
auto f = std::bind(&Add::add, &tmp, 10, std::placeholders::_1);
int c = f(20) // c = 30

四、function

std::function是一个抽象了函数参数和返回值的类模板（多态函数包装器）。

用途：

把任意函数包装成一个对象，该对象可以保存、传递、复制。

其可以包装：普通函数、类的成员函数和静态成员函数、仿函数、lambda表达式、bind返回的函数对象。

头文件：<functional>

用法：std::function<返回值类型(参数类型列表)> func;

样例：

包装普通函数：

#include <functional>

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 包装普通函数
std::function<int(int, int)> f_add = add; // f_add1 = &add 效果一样
int c = f_add(1, 2); // c = 3

包装类静态成员函数：

class StaticFunc {
public:
    static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
};

// 包装类静态成员函数
std::function<int(int, int)> f_add = &StaticFunc::hello;
int c = f_add(1, 2); // c = 3

包装态成员函数：

class Add {
public:
    int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
};

// 包装类成员函数
std::function<int(Add *, int, int)> f_add = &Add::hello;
Add tmp;
int c = f_add(&tmp, 1, 2); // c = 3

包装仿函数：

// 包装一中的仿函数Add
std::function<void(int)> f_add1 = Add();
std::function<int(int, int)> f_add2 = Add();
f_add1(1); // 打印 i:1
f_add1(2); // 打印 i:3, 因为仿函数保存了状态i的值
int c = f_add2(1, 2); // c = 3

包装Lambda：

int i = 0;
auto func = [i](int count) mutable -> void {
    i++;
    cout << "count:" << count << " i:" << i << endl;
};
// auto 实际为编译器生成的匿名类型（非 std::function）
// 等效的 std::function 类型为 std::function<void(int)>

func(1); // 打印 count:1 i:1
func(1); // 打印 count:1 i:2
cout << i << endl; // 打印 0, 因为mutable关键字，所以不会修改外部变量实际的值