C++11中lambda表达式与包装器

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发布于 2024-10-31 08:25:25

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1. lambda表达式

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。

//lambda表达式
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<functional>
using namespace std;

int main()
{
	int array[] = { 4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 };
	sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto x : array)
	{
		cout << x << " ";
	}
	cout << endl;
	sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), greater<int>());
	for (auto x : array)
	{
		cout << x << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

但是如果待排序元素为自定义类型, 用户就需要自定义排序时的比较规则

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;
	}
};


#include<vector>

int main()
{
	vector<Goods> v = { {"苹果",2.1,5} ,{ "香蕉",3,4 }, {"菠萝",1.5,4 }};
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());

	return 0;
}

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, 如果每次比较逻辑不一样, 还需要去实现多个类, 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.

1.1 引入lambda表达式

//[capture - list](parameters) mutable -> return-type{ statement}
//捕捉列表 参数 取消常性 返回值 函数体
//[]()mutable -> {}

int main()
{
	vector<Goods> v = { {"苹果",2.1,5} ,{ "香蕉",3,4 }, {"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(), [](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; });	

	return 0;
}

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

1.2 lambda表达式用法

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。

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

注意： a. 父作用域指包含lambda函数的语句块 b. 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 c. 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 d. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。 e. 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。 f. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同

int main()
{
	//最简单的lambda表达式,该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自动推导为int
	int 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表达式
	auto fun2 = [=, &b](int c)->int {return b += a + c; };
	cout << fun2(10) << endl;

	//赋值捕捉x
	int x = 10;
	auto add_x = [x](int a)mutable {x *= 2; return a + x; };
	cout << add_x(10) << endl;
	return 0;
}

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

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表达式底层实现完后，大家就清楚了
	//f1 = f2;   // 编译失败--->提示找不到operat==()

	//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;
}

1.3 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(100000, 2);

	//lambda
	auto r2 = [=](double money, int year)->double {return money * rate * year; };
	r2(100000, 2);
	return 0;
}

从使用方式上来看，函数对象与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。

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

2.1 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？

auto ret = func(x);

//上面func可能是什么呢?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lambda表达式?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,
//why? 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;

	//lambda表达式
	cout << useF([](double d) -> double {return d / 4; }, 11.11) << endl;

	return 0;
}

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

使用方法:

#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 plisi(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)
	function<int(int, int)> func1 = f;
	cout << func1(1, 2) << endl;

	//函数对象
	function<int(int, int)> func2 = Functor();
	cout << func2(1, 2) << endl;
	
	//lambda表达式
	function<int(int, int)> func3 = [](const int a, const int b) {return a + b; };
	cout << func3(1, 2) << endl;

	//静态成员函数属于整个类, 不需要&但是建议都加上&
	function<int(int, int)> func4 = Plus::plisi;
	cout << func4(1, 2) << endl;

	//普通成员函数需要传递this指针加上&
	function<double(Plus, double, double)> func5 = &Plus::plusd;
	cout << func5(Plus(), 1.1, 2.2) << endl;
	return 0;
}

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？

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
	function<double(double)> func1 = f;
	cout << useF(func1, 11.11) << endl;

	//函数对象
	function<double(double)> func2 = Functor();
	cout << useF(func2, 11.11) << endl;

	//lambda表达式
	std::function<double(double)> func3 = [](double d)->double {return d / 4; };
	cout << useF(func3, 11.11) << endl;
	return 0;
}

2.2 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 newCallable的第一个参数，_2为第二个参数，以此类推。

#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
	function<int(int, int)> func1 = bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);
	//auto func1 = bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);
	cout << func1(1, 2) << endl;

	//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， 2
	auto func2 = bind(Plus, 1, 2);
	cout << func2() << endl;

	Sub s;
	//绑定成员函数
	function<int(int, int)> func3 = bind(&Sub::sub, s, placeholders::_1, placeholders::_2);

	//参数调换顺序
	function<int(int, int)> func4 = bind(&Sub::sub, s, placeholders::_2, placeholders::_1);
	
	cout << func3(1, 2) << endl;
	cout << func4(1, 2) << endl;

	return 0;
}