C++ STL函数对象与适配器：定制模板行为，让代码更灵活

# 1. C++ STL函数对象与适配器概述

C++标准模板库（STL）是一组高效实现的算法、容器、迭代器和函数对象的集合。它为C++程序员提供了一套强大的工具，用于解决编程中的常见问题。在本章节中，我们将概述函数对象与适配器这两个重要的STL组件，并强调它们在C++编程中的重要性。

函数对象，也被称为仿函数（functors），是实现了函数调用操作符 `operator()` 的任何对象。它们的出现扩展了C++的函数概念，使得算法可以在不关心数据具体类型的情况下工作，从而大幅增强了代码的复用性。

适配器则是STL中一种设计模式，它通过修改现有接口来满足特定的接口需求。简单来说，适配器可以改变函数对象的行为，从而创建出新的功能组合，使得我们能以更加灵活和强大的方式使用现有的算法。这种抽象允许开发者以一致的风格编写和组合软件，即使这些软件是由不同的人或团队开发的。

在接下来的章节中，我们将进一步探讨函数对象和适配器的工作原理和实际应用，帮助读者深入理解并高效使用这些强大的编程工具。

# 2. 深入了解函数对象

## 2.1 函数对象的基本概念和特点

### 2.1.1 什么是函数对象？

函数对象是一种具有函数调用操作符 `operator()` 的特殊对象。在 C++ 中，这意味着任何可以像函数一样被调用的类实例，都可以被称为函数对象。函数对象允许对象表现得像函数一样，这是通过重载 `operator()` 实现的。

#include <iostream>
#include <functional>

class Adder {
public:
    Adder(int n) : value(n) {}
    int operator()(int x) { return x + value; }
private:
    int value;
};

int main() {
    Adder add4(4);
    std::cout << add4(5) << '\n'; // 输出9
}

在上述代码中，`Adder` 类重载了 `operator()`，使得它可以像函数一样被调用。创建 `Adder` 的一个实例 `add4`，并像调用函数一样传入参数 `5`。

### 2.1.2 函数对象与普通函数的比较

函数对象与普通函数相比，提供了更多的灵活性和封装性。函数对象可以存储状态，并且因为是对象，它们可以被复制、赋值和存储在容器中。此外，函数对象可以拥有成员变量和成员函数，这使得它们可以用于更复杂的操作。

#include <iostream>
#include <functional>

void print(int n) {
    std::cout << n << ' ';
}

struct Print {
    void operator() (int n) {
        std::cout << n << ' ';
    }
};

int main() {
    // 普通函数
    print(10);

    // 函数对象
    Print printer;
    printer(20);
}

在比较函数对象和普通函数时，可以看出两者在调用上没有区别，但函数对象提供了额外的功能，如保持状态。这在需要维护状态信息的情况下特别有用。

## 2.2 函数对象的分类和使用

### 2.2.1 预定义函数对象

标准模板库（STL）提供了一些预定义的函数对象，包括算术操作符、关系操作符和逻辑操作符。这些预定义的函数对象为常见的操作提供了现成的实现，可以很容易地与STL算法一起使用。

#include <iostream>
#include <functional>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用预定义的函数对象 std::negate 来反转符号
    std::transform(numbers.begin(), numbers.end(), numbers.begin(), std::negate<int>());

    for (auto const& i : numbers) {
        std::cout << i << " "; // 输出：-1 -2 -3 -4 -5
    }
}

### 2.2.2 自定义函数对象

虽然预定义的函数对象覆盖了许多常见需求，但在某些特定场景下，我们可能需要自定义函数对象来执行特定任务。创建自定义函数对象涉及定义一个类，并在其中实现 `operator()`。

#include <iostream>

class Square {
public:
    int operator()(int n) { return n * n; }
};

int main() {
    Square square;
    std::cout << "The square of 4 is " << square(4) << '\n'; // 输出16
}

在这里，`Square` 类是一个简单的函数对象，它定义了一个操作符重载函数 `operator()`，用于计算传入参数的平方。

## 2.3 函数对象的优势与实践场景

### 2.3.1 函数对象的性能优势

函数对象相比于普通函数，具有一定的性能优势。它们可以直接作为模板参数传递给STL算法，不需要额外的函数指针开销。此外，函数对象可以包含状态信息，并且可以被优化为内联调用，这减少了调用开销。

### 2.3.2 具体案例分析

在处理复杂的数据结构和算法时，函数对象提供了非常大的帮助。例如，当使用STL中的 `std::sort` 算法时，可以使用自定义的比较函数对象来控制排序行为。

#include <algorithm>
#include <vector>

struct CustomCompare {
    bool operator()(int a, int b) {
        // 降序比较
        return a > b;
    }
};

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), CustomCompare());

    for (auto const& i : vec) {
        std::cout << i << ' '; // 输出5 4 3 2 1
    }
}

在这个例子中，通过使用 `CustomCompare` 函数对象，`std::sort` 实现了降序排序。函数对象的应用场景非常广泛，它们不仅可以用来排序，还可以用于各种标准算法的定制化操作，使得算法的应用更为灵活和强大。

# 3. 函数对象适配器的应用与原理

在本章节中，我们将深入探讨函数对象适配器的概念、分类、以及它们在实际编程中的应用。适配器是C++标准模板库（STL）中一个重要的组成部分，它们为现有函数对象、函数指针或成员函数提供新的接口，使得它们能够与其他STL组件无缝配合。

## 3.1 适配器的定义及其重要性

### 3.1.1 什么是适配器？
适配器在计算机科学中是一个普遍存在的概念，其基本含义是将一个接口转换成另一个接口。在C++ STL的语境下，适配器通常用来改变函数对象的工作方式或者允许非函数对象以函数对象的方式使用。例如，`std::not1` 和 `std::not2` 适配器可以将谓词函数转换为