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C++标准库中的 <functional> 库是一个强大的工具集，它提供了用于处理函数对象、函数绑定、函数包装等功能的设施，极大地增强了代码的灵活性和可复用性。

1. 函数对象（Functors）

函数对象，也被称作仿函数，是重载了 () 运算符的类的实例。其使用方式与普通函数调用类似，但函数对象可以携带状态，这使得它比普通函数更加灵活。

#include <iostream>// 定义一个函数对象类
class Adder {
public:int operator()(int a, int b) const {return a + b;}
};int main() {Adder adder;int result = adder(3, 4);std::cout << "3 + 4 = " << result << std::endl;return 0;
}

• 原理：在 Adder 类中，重载了 () 运算符，该运算符接受两个 int 类型的参数并返回它们的和。Adder 类的对象 adder 就可以像函数一样被调用，当调用 adder(3, 4) 时，实际上是调用了 Adder 类的 operator() 方法。
• 优点：函数对象可以包含成员变量，这些成员变量可以在对象创建时进行初始化，并且在多次调用 operator() 时保持状态，这是普通函数无法做到的。

2. std::function

std::function 是一个通用的多态函数包装器，它可以存储、复制和调用任何可调用对象，包括普通函数、函数指针、成员函数指针、函数对象和 lambda 表达式等。

#include <iostream>
#include <functional>// 普通函数
int add(int a, int b) {return a + b;
}int main() {// 使用 std::function 包装普通函数std::function<int(int, int)> func = add;int result = func(3, 4);std::cout << "3 + 4 = " << result << std::endl;// 包装 lambda 表达式std::function<int(int, int)> lambdaFunc = [](int a, int b) { return a * b; };result = lambdaFunc(3, 4);std::cout << "3 * 4 = " << result << std::endl;return 0;
}

• 模板参数：std::function<int(int, int)> 中的模板参数指定了可调用对象的签名，即接受两个 int 类型的参数并返回一个 int 类型的结果。
• 包装过程：当将普通函数 add 或 lambda 表达式赋值给 std::function 对象时，std::function 会内部存储该可调用对象，并提供统一的调用接口。当调用 func(3, 4) 或 lambdaFunc(3, 4) 时，std::function 会根据存储的可调用对象进行相应的调用。
• 用途：std::function 常用于实现回调机制，例如在事件处理、多线程编程等场景中，通过 std::function 可以方便地传递和调用不同类型的可调用对象。

3. std::bind

std::bind 用于创建一个新的可调用对象，它将一个可调用对象和其部分或全部参数绑定在一起，允许进行部分参数绑定和参数重排。

#include <iostream>
#include <functional>// 普通函数
int add(int a, int b) {return a + b;
}int main() {// 使用 std::bind 绑定 add 函数的第一个参数为 3auto add3 = std::bind(add, 3, std::placeholders::_1);int result = add3(4);std::cout << "3 + 4 = " << result << std::endl;// 参数重排auto sub = [](int a, int b) { return a - b; };auto reversedSub = std::bind(sub, std::placeholders::_2, std::placeholders::_1);result = reversedSub(3, 4);std::cout << "4 - 3 = " << result << std::endl;return 0;
}

• 部分参数绑定：在 std::bind(add, 3, std::placeholders::_1) 中，add 是要绑定的可调用对象，3 是第一个参数，std::placeholders::_1 是一个占位符，表示新可调用对象的第一个参数。add3 是一个新的可调用对象，当调用 add3(4) 时，实际上是调用 add(3, 4)。
• 参数重排：在 std::bind(sub, std::placeholders::_2, std::placeholders::_1) 中，通过占位符的顺序交换了 sub 函数的参数顺序。当调用 reversedSub(3, 4) 时，实际上是调用 sub(4, 3)。
• 用途：std::bind 可以用于简化函数调用，特别是在需要固定部分参数的情况下，或者在需要对参数顺序进行调整的情况下。

4. std::mem_fn

std::mem_fn 用于创建一个可调用对象，该对象可以调用类的成员函数。它可以处理成员函数指针，使得调用成员函数更加方便。

#include <iostream>
#include <functional>class MyClass {
public:void print() const {std::cout << "Hello, World!" << std::endl;}int add(int a, int b) const {return a + b;}
};int main() {MyClass obj;// 使用 std::mem_fn 包装成员函数auto printFunc = std::mem_fn(&MyClass::print);printFunc(obj);auto addFunc = std::mem_fn(&MyClass::add);int result = addFunc(obj, 3, 4);std::cout << "3 + 4 = " << result << std::endl;return 0;
}

• 成员函数指针：&MyClass::print 和 &MyClass::add 是成员函数指针，它们指向 MyClass 类的 print 和 add 成员函数。
• 包装过程：std::mem_fn 接受成员函数指针作为参数，返回一个可调用对象。当调用 printFunc(obj) 时，std::mem_fn 会将 obj 作为调用 print 成员函数的对象，从而实现成员函数的调用。同样，addFunc(obj, 3, 4) 会调用 obj 的 add 成员函数，并传递 3 和 4 作为参数。
• 用途：std::mem_fn 使得成员函数的调用可以像普通函数调用一样方便，特别是在需要将成员函数作为参数传递给其他函数时非常有用。

5. 预定义的函数对象

<functional> 库提供了一系列预定义的函数对象，用于常见的操作，如算术运算、比较运算等。

算术运算

#include <iostream>
#include <functional>int main() {std::plus<int> add;int result = add(3, 4);std::cout << "3 + 4 = " << result << std::endl;std::minus<int> sub;result = sub(4, 3);std::cout << "4 - 3 = " << result << std::endl;return 0;
}

• std::plus：std::plus<int> 是一个预定义的函数对象，它重载了 () 运算符，用于执行两个 int 类型数的加法运算。当调用 add(3, 4) 时，实际上是调用了 std::plus<int> 的 operator() 方法，返回 3 + 4 的结果。
• std::minus：std::minus<int> 用于执行两个 int 类型数的减法运算，其原理与 std::plus 类似。

比较运算

#include <iostream>
#include <functional>int main() {std::greater<int> greater;bool isGreater = greater(4, 3);std::cout << "4 > 3: " << (isGreater ? "true" : "false") << std::endl;std::less<int> less;isGreater = less(4, 3);std::cout << "4 < 3: " << (isGreater ? "true" : "false") << std::endl;return 0;
}

• std::greater：std::greater<int> 用于比较两个 int 类型数的大小，返回 true 表示第一个参数大于第二个参数。当调用 greater(4, 3) 时，返回 true。
• std::less：std::less<int> 用于比较两个 int 类型数的大小，返回 true 表示第一个参数小于第二个参数。当调用 less(4, 3) 时，返回 false。

6. std::ref 和 std::cref

std::ref 和 std::cref 用于创建引用包装器，当需要将引用传递给 std::bind 或其他需要按值传递参数的地方时非常有用。

#include <iostream>
#include <functional>void increment(int& num) {++num;
}int main() {int num = 3;auto func = std::bind(increment, std::ref(num));func();std::cout << "num = " << num << std::endl;return 0;
}

• std::ref：std::ref(num) 创建了一个对 num 的引用包装器。在 std::bind(increment, std::ref(num)) 中，由于 increment 函数接受一个引用参数，使用 std::ref 可以确保传递给 increment 的是 num 的引用，而不是 num 的副本。当调用 func() 时，increment 函数会修改 num 的值。
• std::cref：std::cref 与 std::ref 类似，但它创建的是一个常量引用包装器，用于传递常量引用。

7. std::hash

std::hash 是一个模板类，用于生成对象的哈希值，常用于实现哈希表等数据结构。

#include <iostream>
#include <functional>int main() {std::hash<int> hasher;int num = 3;std::size_t hashValue = hasher(num);std::cout << "Hash value of " << num << " is " << hashValue << std::endl;return 0;
}

• 哈希函数：std::hash<int> 是一个针对 int 类型的哈希函数模板类，它重载了 () 运算符，接受一个 int 类型的参数并返回一个 std::size_t 类型的哈希值。当调用 hasher(num) 时，会根据 num 的值生成一个对应的哈希值。
• 用途：在实现哈希表、哈希集合等数据结构时，std::hash 可以方便地为元素生成哈希值，从而实现快速的查找和插入操作。

8. std::not_fn (C++17 起)

std::not_fn 用于创建一个新的可调用对象，该对象返回原可调用对象结果的逻辑非。

#include <iostream>
#include <functional>
#include <algorithm>
#include <vector>bool isEven(int num) {return num % 2 == 0;
}int main() {std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};auto isOdd = std::not_fn(isEven);auto oddCount = std::count_if(numbers.begin(), numbers.end(), isOdd);std::cout << "Number of odd numbers: " << oddCount << std::endl;return 0;
}

• 逻辑非操作：std::not_fn(isEven) 创建了一个新的可调用对象 isOdd，当调用 isOdd 时，它会调用 isEven 并返回其结果的逻辑非。在 std::count_if 中使用 isOdd 可以统计 numbers 向量中奇数的个数。
• 用途：std::not_fn 可以方便地反转一个布尔函数的逻辑，避免手动编写反转逻辑的代码。

总结

<functional> 库提供了丰富的工具来处理函数对象和函数调用，通过这些工具可以提高代码的灵活性和可维护性。合理使用这些工具可以让代码更加简洁和高效，特别是在实现回调机制、函数绑定、成员函数调用等场景中发挥重要作用。