【C++庖丁解牛】C++11---lambda表达式

🍁你好，我是 RO-BERRY 📗 致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识 🎄感谢你的陪伴与支持，故事既有了开头，就要画上一个完美的句号，让我们一起加油

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1. lambda表达式

1.1 C++98中的一个例子

在C++98中，如果想要对一个数据集合中的元素进行排序，可以使用std::sort方法。

#include <algorithm>
#include <functional>
int main()
{int array[] = { 4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 };// 默认按照小于比较，排出来结果是升序std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 如果需要降序，需要改变元素的比较规则std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), greater<int>());return 0;
}

在这里，greater是一个函数对象（function object），它是C++标准库中的一个模板类，用于比较两个元素的大小关系。greater是一个用于降序排序的比较器，它会将较大的元素排在前面。

如果待排序元素为自定义类型，需要用户定义排序时的比较规则：

#include<iostream>
using namespace std;
#include <algorithm>
#include <functional>
#include <string>
#include <vector>
struct Goods
{string _name;  // 名字double _price; // 价格int _evaluate; // 评价Goods(const char* str, double price, int evaluate):_name(str), _price(price), _evaluate(evaluate){}
};
struct ComparePriceLess
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price < gr._price;}
};
struct ComparePriceGreater
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price > gr._price;}
};
int main()
{vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
}

随着C++语法的发展，人们开始觉得上面的写法太复杂了，每次为了实现一个algorithm算法，都要重新去写一个类，如果每次比较的逻辑不一样，还要去实现多个类，特别是相同类的命名，这些都给编程者带来了极大的不便。因此，在C++11语法中出现了Lambda表达式。

1.2 lambda表达式

int main()
{vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._price < g2._price; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {return g1._price > g2._price; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {return g1._evaluate < g2._evaluate; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {return g1._evaluate > g2._evaluate; });
}

上述代码就是使用C++11中的lambda表达式来解决，可以看出lambda表达式实际是一个匿名函数。

1.3 lambda表达式语法

lambda表达式书写格式：[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { statement }

lambda表达式各部分说明

[capture-list] : 捕捉列表，该列表总是出现在lambda函数的开始位置，编译器根据[]来判断接下来的代码是否为lambda函数，捕捉列表能够捕捉上下文中的变量供lambda函数使用。
(parameters)：参数列表。与普通函数的参数列表一致，如果不需要参数传递，则可以连同()一起省略
mutable：默认情况下，lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。使用该修饰符时，参数列表不可省略(即使参数为空)。
->returntype：返回值类型。用追踪返回类型形式声明函数的返回值类型，没有返回值时此部分可省略。返回值类型明确情况下，也可省略，由编译器对返回类型进行推导。
{statement}：函数体。在该函数体内，除了可以使用其参数外，还可以使用所有捕获到的变量。

注意：

在lambda函数定义中，参数列表和返回值类型都是可选部分，而捕捉列表和函数体可以为空。因此C++11中最简单的lambda函数为：[]{}; 该lambda函数不能做任何事情。

int main()
{//局部的匿名函数对象----简单的add函数auto add = [](int a,int b)->int{return a+b};cout<<add( 1 , 2 )<<endl;// 最简单的lambda表达式, 该lambda表达式没有任何意义[] {};// 省略参数列表和返回值类型，返回值类型由编译器推导为intint a = 3, b = 4;[=] {return a + 3; };// 省略了返回值类型，无返回值类型auto fun1 = [&](int c) {b = a + c; };fun1(10);cout << a << " " << b << endl;// 各部分都很完善的lambda函数auto fun2 = [=, &b](int c)->int {return b += a + c; };  //这里捕捉的是等于号也就是全局的变量，&b就是给b取别名便于给b进行修改操作cout << fun2(10) << endl;   //--- b = b(13) + a(3) + c(10)   ---输出为26// 复制捕捉xint x = 10;auto add_x = [x](int a) mutable { x *= 2; return a + x; };cout << add_x(10) << endl;return 0;
}

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通过上述例子可以看出，lambda表达式实际上可以理解为无名函数，该函数无法直接调用，如果想要直接调用，可借助auto将其赋值给一个变量。

1.4. 捕获列表说明

捕捉列表描述了上下文中那些数据可以被lambda使用，以及使用的方式传值还是传引用。

[var]：表示值传递方式捕捉变量var
[=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)
[&var]：表示引用传递捕捉变量var
[&]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)
[this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针

传值捕捉，其是数据的拷贝
传引用捕捉，就是其数据

注意：

父作用域指包含lambda函数的语句块
语法上捕捉列表可由多个捕捉项组成，并以逗号分割。

比如：[=, &a, &b]：以引用传递的方式捕捉变量a和b，值传递方式捕捉其他所有变量
[&，a, this]：值传递方式捕捉变量a和this，引用方式捕捉其他变量

捕捉列表不允许变量重复传递，否则就会导致编译错误。

比如：[=, a]：=已经以值传递方式捕捉了所有变量，捕捉a重复

在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。
在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中局部变量，捕捉任何非此作用域或者非局部变量都会导致编译报错。
lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同

void (*PF)();
int main()
{auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };// 此处先不解释原因，等lambda表达式底层实现原理看完后，大家就清楚了//f1 = f2;   // 编译失败--->提示找不到operator=()// 允许使用一个lambda表达式拷贝构造一个新的副本auto f3(f2);f3();// 可以将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针PF = f2;PF();return 0;
}

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1.5 函数对象与lambda表达式

函数对象，又称为仿函数，即可以想函数一样使用的对象，就是在类中重载了operator()运算符的类对象。

class Rate
{
public:Rate(double rate) : _rate(rate){}double operator()(double money, int year){return money * _rate * year;}
private:double _rate;
};
int main()
{// 函数对象double rate = 0.49;Rate r1(rate);r1(10000, 2);// lamberauto r2 = [=](double monty, int year)->double {return monty * rate * year;};r2(10000, 2);return 0;
}

从使用方式上来看，仿函数与lambda表达式完全一样。

函数对象将rate作为其成员变量，在定义对象时给出初始值即可，lambda表达式通过捕获列表可以直接将该变量捕获到。

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实际在底层编译器对于lambda表达式的处理方式，完全就是按照函数对象的方式处理的，即：如果定义了一个lambda表达式，编译器会自动生成一个类，在该类中重载了operator()。

2.包装器

function包装器
function包装器也叫作适配器。C++中的function本质是一个类模板，也是一个包装器。
那么我们来看看，我们为什么需要function呢？

ret = func(x);

上面func可能是什么呢？那么func可能是函数名？函数指针？函数对象(仿函数对象)？也有可能是lamber表达式对象？所以这些都是可调用的类型！如此丰富的类型，可能会导致模板的效率低下！
为什么呢？我们继续往下看

template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{static int count = 0;cout << "count:" << ++count << endl;cout << "count:" << &count << endl;return f(x);
}
double f(double i)
{return i / 2;
}
struct Functor
{double operator()(double d){return d / 3;}
};
int main()
{// 函数名cout << useF(f, 11.11) << endl;// 函数对象cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;// lamber表达式cout << useF([](double d)->double { return d / 4; }, 11.11) << endl;return 0;
}

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通过上面的程序验证，我们会发现useF函数模板实例化了三份。
包装器可以很好的解决上面的问题

std::function在头文件<functional>
// 类模板原型如下
template <class T> function;     // undefined
template <class Ret, class... Args>
class function<Ret(Args...)>;

模板参数说明：

Ret: 被调用函数的返回类型
Args…：被调用函数的形参

以下为包装器使用实例：

// 使用方法如下：
#include <functional>
int f(int a, int b)
{return a + b;
}
struct Functor
{
public:int operator() (int a, int b){return a + b;}
};
class Plus
{
public:static int plusi(int a, int b){return a + b;}double plusd(double a, double b){return a + b;}
};
int main()
{// 函数名(函数指针)std::function<int(int, int)> func1 = f;cout << func1(1, 2) << endl;// 函数对象std::function<int(int, int)> func2 = Functor();cout << func2(1, 2) << endl;// lamber表达式std::function<int(int, int)> func3 = [](const int a, const int b){return a + b; };cout << func3(1, 2) << endl;// 类的成员函数std::function<int(int, int)> func4 = &Plus::plusi;cout << func4(1, 2) << endl;std::function<double(Plus, double, double)> func5 = &Plus::plusd;cout << func5(Plus(), 1.1, 2.2) << endl;return 0;
}

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有了包装器，如何解决模板的效率低下，实例化多份的问题呢？

#include <functional>
template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{static int count = 0;cout << "count:" << ++count << endl;cout << "count:" << &count << endl;return f(x);
}
double f(double i)
{return i / 2;
}
struct Functor
{double operator()(double d){return d / 3;}
};
int main()
{// 函数名std::function<double(double)> func1 = f;cout << useF(func1, 11.11) << endl;// 函数对象std::function<double(double)> func2 = Functor();cout << useF(func2, 11.11) << endl;// lamber表达式std::function<double(double)> func3 = [](double d)->double { return d /4; };cout << useF(func3, 11.11) << endl;return 0;
}

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2.1 bind

std::bind函数定义在头文件中，是一个函数模板，它就像一个函数包装器(适配器)，接受一个可调用对象（callable object），生成一个新的可调用对象来“适应”原对象的参数列表。一般而言，我们用它可以把一个原本接收N个参数的函数fn，通过绑定一些参数，返回一个接收M个（M可以大于N，但这么做没什么意义）参数的新函数。同时，使用std::bind函数还可以实现参数顺序调整等操作。

// 原型如下：
template <class Fn, class... Args>
/* unspecified */ bind (Fn&& fn, Args&&... args);
// with return type (2) 
template <class Ret, class Fn, class... Args>
/* unspecified */ bind (Fn&& fn, Args&&... args);

可以将bind函数看作是一个通用的函数适配器，它接受一个可调用对象，生成一个新的可调用对
象来“适应”原对象的参数列表。

调用bind的一般形式：auto newCallable = bind(callable,arg_list);

其中，newCallable本身是一个可调用对象，arg_list是一个逗号分隔的参数列表，对应给定的callable的参数。当我们调用newCallable时，newCallable会调用callable,并传给它arg_list中的参数。
arg_list中的参数可能包含形如_n的名字，其中n是一个整数，这些参数是“占位符”，表示newCallable的参数，它们占据了传递给newCallable的参数的“位置”。数值n表示生成的可调用对象中参数的位置：_1为newCallable的第一个参数，_2为第二个参数，以此类推

在C++11标准中，bind是一个非常实用的函数模板，它允许我们将函数和函数的参数绑定到一起，生成一个新的可调用对象。这个新的可调用对象可以在后续的代码中被多次调用，而不需要再次绑定函数和参数。

bind的语法如下：

#include <functional>
std::bind(函数名, 参数列表)

返回值为一个可调用对象。
例如，我们定义了一个函数f：

void f(int a, int b, int c) {std::cout << a << " " << b << " " << c << std::endl;
}

我们可以使用bind将其绑定到参数1和2上，生成一个新的可调用对象g：

auto g = std::bind(f, 1, 2, std::placeholders::_1);

接下来，我们可以像调用函数一样调用g，并传入一个参数3：

g(3);

这样，函数f就会以1、2和3作为参数依次被调用。

下面是一个使用实例

#include <functional>
int Plus(int a, int b)
{return a + b;
}
class Sub
{
public:int sub(int a, int b){return a - b;}
};
int main()
{//表示绑定函数plus 参数分别由调用 func1 的第一，二个参数指定std::function<int(int, int)> func1 = std::bind(Plus, placeholders::_1,placeholders::_2);//auto func1 = std::bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);//func2的类型为 function<void(int, int, int)> 与func1类型一样//表示绑定函数 plus 的第一，二为： 1， 2auto  func2 = std::bind(Plus, 1, 2);cout << func1(1, 2) << endl;cout << func2() << endl;Sub s;// 绑定成员函数std::function<int(int, int)> func3 = std::bind(&Sub::sub, s,placeholders::_1, placeholders::_2);// 参数调换顺序std::function<int(int, int)> func4 = std::bind(&Sub::sub, s,placeholders::_2, placeholders::_1);cout << func3(1, 2) << endl;cout << func4(1, 2) << endl;return 0;
}