C++可调用对象详解

阿Q技术站2024-01-22 9:33

一组执行任务的语句都可以视为一个函数，一个可调用对象。在平常程序设计的过程中，我们习惯性的将那些具有复用性的一组语句抽象为函数，将变化的部分抽象为函数的参数。可调用对象用处广泛，比如在使用一些基于范围的模板函数时（如 sort()、all_of()、find_if() 等），常常需要我们传入一个可调用对象，以指明我们需要对范围中的每个元素进行怎样的处理。又比如，在处理一些回调函数、触发函数时，也常常会使用可调用对象。

那么，满足以下条件之一就可称为可调用对象：

  • 是一个函数指针。
  • 是一个具有operator()成员函数的类对象(传说中的仿函数)，lambda表达式。
  • 是一个可被转换为函数指针的类对象。
  • 是一个类成员(函数)指针。
  • bind表达式或其它函数对象。

函数的使用极大的减少了代码重复率，提高了代码的灵活性。那么，在C++中的可调用对象都有哪些？

接下来就将这些可调用对象展开详细讲讲：

1、普通函数

这种函数比较简单，一般都声明在文件开头。在这就举个简单的例子：

c 复制代码 
#include <iostream>

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

int main() {
    int num1, num2;
    std::cout << "Enter two numbers: ";
    std::cin >> num1 >> num2;

    int sum = add(num1, num2);

    std::cout << "The sum of " << num1 << " and " << num2 << " is: " << sum << std::endl;

    return 0;
}

以上就是最简单的一个函数调用的例子，大家看起来肯定就一目了然了。

2、类成员函数

2.1、基础概念

类的成员函数是指那些把定义和原型写在类定义内部的函数，就像类定义中的其他变量一样。类成员函数是类的一个成员，它可以操作类的任意对象，可以访问对象中的所有成员。

2.2、实例

先看看自己定义的Box类，我们要使用成员函数来访问类的成员，而不是直接访问这些类的成员：

arduino 复制代码 
class Box{
public:
    double length;         // 长度
    double breadth;        // 宽度
    double height;         // 高度
    double getVolume(void);// 返回体积
};

成员函数可以定义在类定义内部，或者单独使用范围解析运算符 :: 来定义。在类定义中定义的成员函数把函数声明为内联的，即便没有使用 inline 标识符。所以我们就可以按照下面这个方式定义getVolume()函数：

arduino 复制代码 
class Box{
public:
    double length;      // 长度
    double breadth;     // 宽度
    double height;      // 高度

    double getVolume(void)
    {
        return length * breadth * height;
    }
};

也可以在类的外部使用范围解析运算符::定义这个函数：

arduino 复制代码 
double Box::getVolume(void)
{
    return length * breadth * height;
}

需要注意的是，在范围解析运算符之前必须使用类名。

调用成员函数的时候，是在对象上使用点运算符（.），这样的话，它就能操作与该对象相关的数据：

rust 复制代码 
Box myBox;          // 创建一个对象
 
myBox.getVolume();  // 调用该对象的成员函数

下边就简单写一下这个具体的实现：

arduino 复制代码 
#include <iostream>
 
using namespace std;
 
class Box{
public:
    double length;         // 长度
    double breadth;        // 宽度
    double height;         // 高度

    // 成员函数声明
    double getVolume(void);
    void setLength( double len );
    void setBreadth( double bre );
    void setHeight( double hei );
};
 
// 成员函数定义
double Box::getVolume(void)
{
    return length * breadth * height;
}
 
void Box::setLength( double len )
{
    length = len;
}
 
void Box::setBreadth( double bre )
{
    breadth = bre;
}
 
void Box::setHeight( double hei )
{
    height = hei;
}

int main( )
{
   Box box;                // 声明 box，类型为 Box
   double volume = 0.0;     // 用于存储体积
 
   // 详述
   box.setLength(6.0); 
   box.setBreadth(7.0); 
   box.setHeight(5.0);
 
   // 体积
   volume = box.getVolume();
   cout << "box 的体积：" << volume <<endl;

   return 0;
}

3、类静态函数

类中的静态成员函数作用在整个类的内部，对应类的所有实例是共享静态成员函数的，在调用静态成员函数的时候跟调用非静态成员函数是有区别的。另外，静态成员函数只能访问对应类内部的静态数据成员，否则会出现编译错误。

csharp 复制代码 
class Box{
private:
    int _non_static;
    static int _static;
public:
    int a(){
        return _non_static;
    }
    static int b(){
        //_non_static=0; 错误
        //静态成员函数不能访问非静态成员变量
        return _static;
     }
    static int f(){
        //a();        （不对，静态成员函数不能访问非静态成员函数）
        return b();
    }
};
int Box::_static= 0;// static静态成员变量可以在类的外部修改
int main(){
    Box box;
    Box* pointer=&box;
    box.a();
    pointer->a();
    Box::b(); // 类名::静态成员函数名
    return 0;
}

另外，对于非静态成员变量，需要用到类的对象来进行调用，这里就涉及到this指针的概念：

静态成员函数由于没有传递this指针，所以静态成员函数只能访问static 成员，不能访问非static成员。this作用域是在类内部，当在类的非静态成员函数中访问类的非静态成员的时候，编译器会自动将对象本身的地址作为一个隐含参数传递给函数。换句话说，你没有写上this指针，编译器在编译的时候也是加上this的，它作为非静态成员函数的隐含形参，对各成员的访问均通过this进行。在成员函数的内部，我们可以直接使用调用该函数的对象的成员，而无需通过成员访问运算符来做到这一点，因为this所指的正是这个对象。任何对类成员的直接访问都被看成this的隐式使用。this的目的总是指向这个对象，所以this是一个常量指针，C++中不允许改变this中保存的地址。

说这么多的意思就只有下边两点：（静态成员函数和普通成员函数的区别）

  • 静态成员函数没有 this 指针，只能访问静态成员（包括静态成员变量和静态成员函数）。
  • 普通成员函数有 this 指针，可以访问类中的任意成员；而静态成员函数没有 this 指针。

当然类的static函数在类内声明、类外定义时，类内要写明static 类外则不能加static关键字，否则也会出现编译错误，比方说：

csharp 复制代码 
class Box{
public:
    static int f();
};
/*错误的写法
static int Box::f(){
    return 0;
}
*/
//正确的定义
int Box::f(){
    return 0;
}
int main(){
    return 0;
}

4、仿函数

4.1、什么是仿函数？

4.1.1、基本概念

仿函数其实就是重载了operator()运算符的类对象。可以视为一个一般的函数，只不过这个函数功能是在一个类中的运算符operator()中实现，是一个函数对象，它将函数作为参数传递的方式来使用。（行为类似函数，故称仿函数）。实际上就是创建一个类，该类重载了operator()运算符，使得类的实例可以像函数一样被调用。这允许你在函数对象内部保存状态，并在调用时执行操作。

4.1.2、仿函数的引入

先看个例子：

scss 复制代码 
class Foo
{
    void operator()()
    {
        cout << __FUNCTION__ << endl;
    }
};
 
int main()
{
    Foo a;
    //定义对象调用
    a.operator()();
    //直接通过对象调用
    a();
    //通过临时对象调用
    Foo()();
}

在类中重载了一个括号运算符，有几种方法可以调用这个函数呢？

  1. 定义一个结构体对象，然后显式访问这个函数：operator()，需要注意的是，后面得再加上一个括号。
  2. 通过结构体对象直接访问函数。
  3. 通过结构体匿名对象，访问并调用函数。

上面这3种方法都可以调用这个重载运算符函数，那么这样有什么用呢，接下来的例子调用方函数会用到。

4.2、仿函数有什么用呢？

问题：分别统计一个vector中每个元素等于3，小于3，大于3的个数。

  1. 在使用的时候，可以像普通函数那样调用，可以有参数，可以有返回值：
c 复制代码 
#include<iostream>
#include<vector>

int equal_count(const std::vector<int>::iterator& a, const std::vector<int>::iterator& b, const int& val)
{
    int count_num = 0;
    for (auto it = a; it != b; it++)
    {
        if (*it == val)
        {
            count_num++;
        }
    }
    return count_num;
}

int greater_count(const std::vector<int>::iterator& a, const std::vector<int>::iterator& b, const int& val)
{
    int count_num = 0;
    for (auto it = a; it != b; it++)
    {
        if (*it > val)
        {
            count_num++;
        }
    }
    return count_num;
}

int less_count(const std::vector<int>::iterator& a, const std::vector<int>::iterator& b, const int& val)
{
    int count_num = 0;
    for (auto it = a; it != b; it++)
    {
        if (*it < val)
        {
            count_num++;
        }
    }
    return count_num;
}
int main()
{
    std::vector<int> a{ 1,2,3,4,4,5,6,8,7 };
    int num1 = equal_count(a.begin(), a.end(), 3);
    std::cout << "等于3: " << num1 << "个" << std::endl;
    int num2 = greater_count(a.begin(), a.end(), 3);
    std::cout << "大于3: " << num2 << "个" << std::endl;
    int num3 = less_count(a.begin(), a.end(), 3);
    std::cout << "小于3: " << num3 << "个" << std::endl;
}

结果：

上面这些代码，我们肉眼可见的长，这些函数不仅长，而且它们的功能都是类似的，那我们为何要写这么长三个函数呢？所以我们就要思考，是否可以用一个函数的主体，然后写三个子函数，再传入主体函数呢？

这就是函数的可调用对象写法 2. 函数的可调用对象写法

c 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
/*
可调用对象
*/
template <class FUN> // 
int count_if(const std::vector<int>::iterator& a, const std::vector<int>::iterator& b,FUN func) // FUN func用于判断的函数对象
{
    int count_num = 0;
    for (auto it = a; it != b; it++)
    {
        if (func(*it))
        {//传进去的是值
            count_num++;
        }
    }
    return count_num;
}
bool _equal(int a)
{
    return a == 3;
}
bool _greater(int a)
{
    return a > 3;
}
bool _less(int a)
{
    return a < 3;
}
int main()
{
    std::vector<int> a{ 1,2,3,4,4,5,6,8,7};
    int num1 = count_if(a.begin(), a.end(), _equal);
    std::cout << num1 << std::endl;
    int num2 = count_if(a.begin(), a.end(), _greater);
    std::cout << num2 << std::endl;
    int num3 = count_if(a.begin(), a.end(), _less);
    std::cout << num3 << std::endl;
}

这样的话，这些函数看起来就清晰很多了，使用一个模板参数用作函数指针，然后再写三个简单的子函数，在主函数中调用三个子函数，当条件为true时，就可以起到统计次数的作用。

我们其实还可以使用Lambda表达式来写：

c 复制代码 
int num1 = count_if(a.begin(), a.end(), [](const int& data) {return data == 3; });
cout << num1 << endl;
int num2 = count_if(a.begin(), a.end(), [](const int& data) {return data > 3; });
cout << num2 << endl;
int num3 = count_if(a.begin(), a.end(), [](const int& data) {return data < 3; });
cout << num3 << endl;

显而易见，使用可调用对象这个方法的话，比第一种普通函数有着极大的提升，不用写那几个子函数，而是根据它们的共性：都具有统计的功能，只改变子函数的功能，就可以完成这些功能。

其实这个方法已经够日常使用了，但是还有一个更优的写法，那就是仿函数。 3. 仿函数写法

c 复制代码 
template <class FUN>
int count_if(const std::vector<int>::iterator& a, const std::vector<int>::iterator& b, FUN func)
{
        int count_num = 0;
        for (auto it = a; it != b; it++)
        {
                if (func(*it))
                {//传进去的是值
                        count_num++;
                }
        }
        return count_num;
}

/*
仿函数
*/
struct Equal
{
    int val;
    Equal(const int& val) :val(val) {}
    bool operator()(const int& a)
    {
        return a == val;
    }
};

struct Greater
{
    int val;
    Greater(const int& val) :val(val) {}
    bool operator()(const int& a)
    {
        return a > val;
    }
};

struct Less
{
    int val;
    Less(const int& val) :val(val) {}
    bool operator()(const int& a)
    {
        return a < val;
    }
};
int main()
{
    std::vector<int> a{ 1,2,3,4,4,5,6,8,7 };
    /*
    仿函数 传递数值的方式
    */
    Less less(10);        //可以创建对象来调用
    int num1 = count_if(a.begin(), a.end(), Equal(4));        //匿名对象
    std::cout << "等于4的个数：" << num1 << std::endl;
    int num2 = count_if(a.begin(), a.end(), Greater(3));        //匿名对象
    std::cout << "大于3的个数："  << num2 << std::endl;
    int num3 = count_if(a.begin(), a.end(), less);                //临时对象
    std::cout << "小于10的个数：" << num3 << std::endl;
}

结果：

上面这个就是仿函数的写法了，表面上看起来是挺长的，看起来还不如第二种方式，可以直接在函数中调用，但是第二种方式还有一个很麻烦的缺点：我们在每次修改数值的时候，第二种方式直接就是在函数中写死了，或者说是在函数调用的时候，只会看到调用的函数名称，并不会看到实际比较的数值。

但是第三种方式仿函数，使用过程中可以指定任意数值，并且还重载了括号运算符，我们可以看到具体的数值，这就是符合我们日常维护的习惯。

4.3、优缺点

  1. 优点
  • 仿函数比函数指针的执行速度快，函数指针是通过地址调用，而仿函数是对运算符operator进行自定义来提高调用的效率。
  • 仿函数比一般函数灵活，可以同时拥有两个不同的状态实体，一般函数不具备此种功能。
  • 仿函数可以作为模板参数使用，因为每个仿函数都拥有自己的类型。
  1. 缺点
  • 需要单独实现一个类。
  • 定义形式比较复杂。

5、函数指针

5.1、函数指针的引出

与数据项相似，函数也有地址。函数的地址就是存储它的机器语言代码内存的开始地址。通常情况下，这些地址对用户而言，既不重要，也没有什么用处，但对于程序而言，却很有用。比方说，可以编写将另一个函数的地址作为参数的函数，这样第一个函数就能够找到第二个函数，并运行它。与直接调用另一个函数相比，这种方法虽然很笨拙，但是它允许在不同的时间传递不同函数的地址，这也就意味着可以在不同的时间使用不同的函数。

5.2、函数指针的使用

通过上面的讲述，我们可以通过一个例子来阐述一下这个过程。假设要设计一个名为estimate()的函数，估算编写指定行数的代码所需的时间，并且希望不同的程序员都将使用该函数。对于所有的用户来说，estimate()中一部分代码都是相同的，但该函数允许每个程序员提供自己的算法来估算时间。为了实现这个目标，采用的机制是，将程序员要使用的算法函数的地址传递给estimate()。那就要能够完成下面的一些工作：

  • 获取函数的地址；
  • 声明一个函数指针；
  • 使用函数指针来调用函数。

5.2.1、获取函数的地址

获取函数的地址很简单：只要使用函数名（后面不跟参数）即可。也就是说，如果think()是一个函数，则think就是该函数的地址。要将函数作为参数进行传递，必须传递函数名。一定要区分传递的是函数的地址还是函数的返回值：

scss 复制代码 
process(think);
thought(think());

process()调用使得process()函数能够在其内部调用think()函数。thought()调用首先调用think()函数，然后think()的返回值传递给thought()函数。

5.2.2、声明函数指针

声明指向某种数据类型的指针时，必须指定指针指向的类型。同样，声明指向函数的指针式，也必须指定指针指向的函数类型。这也就意味着声明应指定函数的返回类型以及函数的参数列表。也就是说，声明应像函数原型那样指出有关函数的信息。例如，编写一个估算时间的函数，其原型如下：

arduino 复制代码 
double proto(int);

则正确的指针类型声明如下：

scss 复制代码 
double (*pf)(int);

这与proto()声明类似，只是将proto替换为(*pf)。由于proto是函数，因此(*pf)也是函数，而如果(*pf)是函数，那pf就是函数指针。

温馨提示：如果要声明指向指定类型的函数的指针，可以首先编写这种函数的原型，然后用(*pf)替换函数名，这样pf就是这类函数的指针。

还有就是优先级，我们在声明的时候，必须在声明中使用括号将pf括起来。括号的优先级比运算符高。因此，*pf(int)的意思就是pf()是一个返回指针的函数，而(*pf)(int)的意思就是pf是一个指向函数的指针：

scss 复制代码 
double (*pf)(int);
double *pf(int);

正确的声明pf后，就可以将相应函数的地址赋给它：

scss 复制代码 
double proto(int);
double (*pf)(int);
pf = proto;

需要注意的是，proto()的参数列表和返回类型必须与pf相同，如果不相同，编译器将拒绝这种赋值：

c 复制代码 
double ned(double);
int ted(int);
double (*pf)(int);
pf = ned;  // 
pf = ted; // 返回类型不匹配

那么现在再看一下前面提到的estimate()函数。假设要将将要编写的代码行数和估算算法的地址传递给它，原型如下：

arduino 复制代码 
void estimate(int lines, double (*pf)(int));

上述声明中，第二个参数是一个函数指针，它指向的函数接收一个int参数，并返回一个double值。要让estimate()使用proto()函数，需要将proto()的地址传递给它：

scss 复制代码 
estimate(50, proto);

显而易见，使用函数指针时，比较棘手的是编写原型，而传递地址则非常简单。

5.2.3、使用指针来调用函数

现在进入最后一步，使用指针来调用被指向的函数。线索来自指针声明。前面也说过，(*pf)扮演的角色与函数名相同，因此使用(*pf)时，只需将它看做函数名即可：

scss 复制代码 
double proto(int);
double (*pf)(int);
pf = proto;
double x = proto(4);
double y = (*pf)(5);

实际上，C++也允许像使用函数名那样使用pf：

ini 复制代码 
double y = pf(5;)

第一种格式显然不太好看，但它给出了强有力的提示：代码正在使用函数指针。

6、Lambda函数

6.1、Lambda表达式概述

Lambda表达式是现代C++在C ++ 11和更高版本中的一个新的语法糖 ，在C++11、C++14、C++17和C++20中Lambda表达的内容还在不断更新。 lambda表达式（也称为lambda函数）是在调用或作为函数参数传递的位置处定义匿名函数对象的便捷方法。通常，lambda用于封装传递给算法或异步方法的几行代码 。

6.2、Lambda表达式定义

6.2.1、Lambda表达式示例

Lambda有很多叫法，有Lambda表达式、Lambda函数、匿名函数，这个总结的话就用lambda表达式来进行叙述。

c 复制代码 
#include <iostream>

int main() {
    // Lambda 表达式示例
    auto sum = [](int a, int b) { return a + b; };

    // 使用 Lambda 表达式计算和
    int result = sum(5, 3);

    std::cout << "The sum is: " << result << std::endl;

    return 0;
}

Lambda表达式允许在代码中直接定义匿名函数，非常方便。在上述示例中，lambda表达式接受两个参数，并返回它们的和。这个lambda表达式可以像普通函数一样使用，可以传递参数，并获得返回值。

6.2.2、Lambda表达式语法定义

说明：

  1. 捕获列表。在C ++规范中也称为Lambda导入器， 捕获列表总是出现在Lambda函数的开始处。实际上，[]是Lambda引出符。编译器根据该引出符判断接下来的代码是否是Lambda函数，捕获列表能够捕捉上下文中的变量以供Lambda函数使用。
  2. 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，则可以连同括号"()"一起省略。
  3. 可变规格 。mutable修饰符， 默认情况下Lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。在使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使参数为空）。
  4. 异常说明。用于Lamdba表达式内部函数抛出异常。
  5. 返回类型。 追踪返回类型形式声明函数的返回类型。我们可以在不需要返回值的时候也可以连同符号"->"一起省略。此外，在返回类型明确的情况下，也可以省略该部分，让编译器对返回类型进行推导。
  6. lambda函数体。内容与普通函数一样，不过除了可以使用参数之外，还可以使用所有捕获的变量。

6.3、Lambda表达式参数

6.3.1、Lambda捕获列表

Lambda表达式与普通函数最大的区别是，除了可以使用参数以外，Lambda函数还可以通过捕获列表访问一些上下文中的数据。具体来说，捕捉列表就是描述了上下文中哪些数据可以被Lambda使用，以及使用方式（以值传递的方式或引用传递的方式）。

语法上，在"[]"包括起来的是捕获列表，捕获列表由多个捕获项组成，并以逗号分隔。捕获列表有以下几种形式：

  • []表示不捕获任何变量
php 复制代码 
auto function = ([]{
        std::cout << "Hello World!" << std::endl;
    }
);

function();
  • [var]表示值传递方式捕获变量var
ini 复制代码 
int num = 100;
auto function = ([num]{
        std::cout << num << std::endl;
    }
);

function();
  • [=]表示值传递方式捕获所有父作用域的变量（包括this）
ini 复制代码 
int num = 100;
auto function = ([num]{
        std::cout << num << std::endl;
    }
);

function();
  • [&var]表示引用传递捕捉变量var
ini 复制代码 
int num = 100;
auto function = ([&num]{
        num = 1000;
        std::cout << "num: " << num << std::endl;
    }
);

function();
  • [&]表示引用传递方式捕捉所有父作用域的变量（包括this）
ini 复制代码 
int index = 1;
int num = 100;
auto function = ([&]{
        num = 1000;
        index = 2;
        std::cout << "index: "<< index << ", " 
            << "num: "<< num << std::endl;
    }
);

function();
  • [this]表示值传递方式捕捉当前的this指针
arduino 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
 
class Lambda
{
public:
    void sayHello() {
        std::cout << "Hello" << std::endl;
    };

    void lambda() {
        auto function = [this]{ 
            this->sayHello(); 
        };

        function();
    }
};
 
int main()
{
    Lambda demo;
    demo.lambda();
}

  • [=, &] 拷贝与引用混合

    • [=,&a,&b]表示以引用传递的方式捕捉变量a和b，以值传递方式捕捉其它所有变量。
ini 复制代码 
int index = 1;
int num = 100;
auto function = ([=, &index, &num]{
        num = 1000;
        index = 2;
         std::cout << "index: "<< index << ", " 
            << "num: "<< num << std::endl;
    }
);

function();
  • [&,a,this]表示以值传递的方式捕捉变量a和this，引用传递方式捕捉其它所有变量。

需要注意的是，捕捉列表不允许变量重复传递。下面一些例子就是典型的重复，会导致编译时期的错误。例如：

  • [=,a]这里已经以值传递方式捕捉了所有变量，但是重复捕捉a了，会报错的;
  • [&,&this]这里&已经以引用传递方式捕捉了所有变量，再捕捉this也是一种重复。

6.3.2、Lambda参数列表

除了捕获列表之外，lambda还可以接受输入参数。参数列表是可选的，并且在大多数方面类似于函数的参数列表。

php 复制代码 
auto function = [] (int a, int b){
    return a + b;
};
        
function(100, 200);

6.3.3、可变规格mutable

mutable修饰符， 默认情况下Lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。在使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使参数为空）。

ini 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
   int m = 0;
   int n = 0;
   [&, n] (int a) mutable { m = ++n + a; }(4);
   cout << m << endl << n << endl;
}

6.3.4、异常说明

可以使用throw() 异常规范来指示lambda表达式不会引发任何异常。与普通函数一样，如果lambda表达式声明C4297异常规范且lambda体引发异常，编译器将生成警告 throw() 。

scss 复制代码 
int main() // C4297 expected 
{ 
    []() throw() { throw 5; }(); 
}

6.3.5、返回类型

Lambda表达式的返回类型会自动推导。除非你指定了返回类型，否则不必使用关键字。返回型类似于通常的方法或函数的返回型部分。但是，返回类型必须在参数列表之后，并且必须在返回类型->之前包含类型关键字。如果lambda主体仅包含一个return语句或该表达式未返回值，则可以省略Lambda表达式的return-type部分。如果lambda主体包含一个return语句，则编译器将从return表达式的类型中推断出return类型。否则，编译器将返回类型推导为void。

arduino 复制代码 
auto x1 = [](int i){ return i; };

6.3.6、Lambda函数体

Lambda表达式的lambda主体（标准语法中的复合语句）可以包含普通方法或函数的主体可以包含的任何内容。普通函数和lambda表达式的主体都可以访问以下类型的变量：

捕获变量
形参变量
局部声明的变量
类数据成员，当在类内声明this并被捕获时
具有静态存储持续时间的任何变量，例如全局变量

ini 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
   int m = 0;
   int n = 0;
   [&, n] (int a) mutable { m = ++n + a; }(4);
   cout << m << endl << n << endl;
}

6.4、Lambda表达式的优缺点

6.4.1、优点

  1. 可以直接在需要调用函数的位置定义短小精悍的函数，而不需要预先定义好函数。
c 复制代码 
std::find_if(v.begin(), v.end(), [](int& item){return item > 2});
  1. 使用lambda表达式变得更加紧凑，结构层次更加明显、代码可读性更好。

6.4.2、缺点

  1. lambda表达式语法比较灵活，增加了代码的难度。
  2. 对于函数复用无能为力。

6.5、为何使用lambda表达式

三个维度：距离、简洁、效率

  1. 距离

因为lambda表达式的定义和使用在同一个地方进行，而函数的话，不能在函数内部定义其他函数，所以函数的定义可能离使用它的地方很远，所以lambda才是最理想的选择。

  1. 简洁

函数符代码比函数和lambda代码更繁琐，函数和lambda表达式的简洁程度相当，一个显而易见的例外是，需要使用同一个lambda两次：

ini 复制代码 
count1 = std::count_if(n1.begin(), n1.end(),
            [](int x) {return x % 3 == 0;});
count2 = std::count_if(n2.begin(),n2.end(),
            [](int x) {return x %3 == 0;});

但并非必须编写lambda两次，而可给lambda表达式指定一个名称，并使用该名称两次：

css 复制代码 
auto mod3 = [](int x) {return x % 3 == 0;}
count1 = std::count_if(n1.begin(), n1.end(), mod3);
count2 = std::count_if(n2.begin(), n2.end(), mod3);

甚至可以像使用常规函数那样使用有名称的lambda表达式：

ini 复制代码 
bool result = mod3(3); // 如果z%3==0,返回true

不同于常规函数，可在函数内部定义有名称的lambda。mod3的实际类型随实现而异，它取决于编译器使用什么类型跟踪lambda。

  1. 效率

上面这三种方法的相对效率取决于编译器内联哪些东西。函数指针方法组织了内联，编译器传统上不会内联其它地址被获取的函数，因为函数地址的概念意味着非内联函数。而函数符合lambda通常不会阻止内联。

7、std::function与std::bind

7.1、由来

从上面介绍的可以看出：由于可调用对象的定义方式比较多，但是函数的调用方式较为类似，因此需要使用一个统一的方式保存可调用对象或者传递可调用对象。于是，std::function就诞生了。

std::function强大的地方在于，它能够兼容所有具有相同参数类型的函数实体。

7.2、std::function

7.2.1、概念

std::function是一个可调用对象包装器，是一个类模板，可以容纳除了类成员函数指针之外的所有可调用对象，它可以用统一的方式处理函数、函数对象、函数指针，并允许保存和延迟它们的执行。std::function的实例可以存储、复制和调用任何可调用对象，存储的可调用对象称为std::function的目标，若std::function不含目标，则称它为空，调用空的std::function的目标会抛出std::bad_function_call异常。

7.2.2、定义格式：

arduino 复制代码 
# include <functional>
std::function<函数类型>

7.2.3、示例

std::function可以取代函数指针的作用，因为它可以延迟函数的执行，特别适合作为回调函数使用。它比普通函数指针更加的灵活和便利。

举个例子：

c 复制代码 
# include <iostream>
# include <functional>

typedef std::function<int(int, int)> comfun;

// 普通函数
int add(int a, int b) { return a + b; }

// lambda表达式
auto mod = [](int a, int b){ return a % b; };

// 函数对象类
struct divide{
    int operator()(int denominator, int divisor){
        return denominator/divisor;
    }
};

int main(){
    comfun a = add;
    comfun b = mod;
    comfun c = divide();
    std::cout << a(5, 3) << std::endl;
    std::cout << b(5, 3) << std::endl;
    std::cout << c(5, 3) << std::endl;
}

std::function可以取代函数指针的作用，因为它可以延迟函数的执行，特别适合作为回调函数使用。它比普通函数指针更加的灵活和便利。

7.2.4、作用

  1. std::function对C++中各种可调用实体(普通函数、Lambda表达式、函数指针、以及其它函数对象等)的封装，形成一个新的可调用的std::function对象，简化调用；
  2. std::function对象是对C++中现有的可调用实体的一种类型安全的包裹(如：函数指针这类可调用实体，是类型不安全的)。

7.3、std::bind

  1. std::bind可以看作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。
  2. std::bind将可调用对象与其参数一起进行绑定，绑定后的结果可以使用std::function保存。std::bind主要有以下两个作用：
  • 将可调用对象和其参数绑定成一个仿函数；
  • 只绑定部分参数，减少可调用对象传入的参数。

7.3.1、std::bind绑定普通函数

c 复制代码 
double my_divide (double x, double y) {return x/y;}auto fn_half = std::bind (my_divide,_1,2);  
std::cout << fn_half(10) << '\n';   // 5
  • bind的第一个参数是函数名，普通函数做实参时，会隐式转换成函数指针。因此std::bind (my_divide,_1,2)等价于std::bind (&my_divide,_1,2)；
  • _1表示占位符，位于中，std::placeholders::_1；

7.3.2、std::bind绑定成员函数

c 复制代码 
struct Foo {void print_sum(int n1, int n2)
{
    std::cout << n1+n2 << '\n';
}
    int data = 10;
};
int main() 
{
    Foo foo;
    auto f = std::bind(&Foo::print_sum, &foo, 95, std::placeholders::_1);
    f(5); // 100
}
  • bind绑定类成员函数时，第一个参数表示对象的成员函数的指针，第二个参数表示对象的地址。
  • 必须显示的指定&Foo::print_sum，因为编译器不会将对象的成员函数隐式转换成函数指针，所以必须在Foo::print_sum前添加&；
  • 使用对象成员函数的指针时，必须要知道该指针属于哪个对象，因此第二个参数为对象的地址 &foo；

7.3.3、std::bind绑定一个引用参数

默认情况下，bind的那些不是占位符的参数被拷贝到bind返回的可调用对象中。但是，与lambda类似，有时对有些绑定的参数希望以引用的方式传递，或是要绑定参数的类型无法拷贝。

c 复制代码 
#include <iostream>
#include <functional>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <sstream>
using namespace std::placeholders;
using namespace std;

ostream & print(ostream &os, const string& s, char c)
{
    os << s << c;
    return os;
}
int main(){
    vector<string> words{"helo", "world", "this", "is", "C++11"};
    ostringstream os;
    char c = ' ';
    for_each(words.begin(), words.end(),
        [&os, c](const string & s){os << s << c;} );
    cout << os.str() << endl;

    ostringstream os1;
    // ostream不能拷贝，若希望传递给bind一个对象，而不拷贝它，就必须使用标准库提供的ref函数
    for_each(words.begin(), words.end(),bind(print, ref(os1), _1, c));
    cout << os1.str() << endl;
}

7.4、应用

c 复制代码 
#include <iostream>
#include <functional>

class Calculator {
public:
    Calculator(double base) : base_(base) {}

    double add(double value) {
        return base_ + value;
    }

    double subtract(double value) {
        return base_ - value;
    }
    
    double multiply(double value) {
        return base_ * value;
    }

    double divide(double value) {
        if (value != 0.0) {
            return base_ / value;
        } else {
            std::cout << "Error: Division by zero!" << std::endl;
            return 0.0;
        }
    }

private:
    double base_;
};

int main() {
    Calculator calc(10.0);

    // 使用 std::function 包装成员函数作为可调用对象
    std::function<double(double)> operation = std::bind(&Calculator::add, &calc, std::placeholders::_1);

    // 调用操作函数
    double result = operation(5.0);
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;

    return 0;
}
  • 在 main 函数中，创建了一个 Calculator 的实例 calc，并使用 std::function 来包装 add 成员函数，形成一个可调用对象 operation。
  • std::bind 函数用于将成员函数与对象绑定，std::placeholders::_1 表示占位符，用于在调用时传入参数。

7.5、回调函数

回调就是通过把函数等作为另外一个函数的参数的形式，在调用者层指定被调用者行为的方式。

通过上面的介绍，我们知道，可以使用函数指针，以及std::function作为函数参数类型，从而实现回调函数：

arduino 复制代码 
#include <iostream>
#include <functional>

std::function<int(int, int)> ComputeFunction;
int (*compute_pointer)(int, int);

int compute1(int x, int y, ComputeFunction func) {
    // do something
    return func(x, y);
}

int compute2(int x, int y, compute_pointer func)
{
    // do something
    return func(x, y);
}

以上两种方式，对于一般函数，简单lambda函数而言是等效的。

但是如果对于带有捕获的lambda函数，类成员函数，有特殊参数绑定需要的场景，则只能使用std::function。

其实还有很多其他的实现回调函数的方式，如下面的标准面向对象的实现：

arduino 复制代码 
#include <iostream>

// 定义标准的回调接口
class ComputeFunc
{
public:
    virtual int compute(int x, int y) const = 0;
};

// 实现回调接口
class ComputeAdd : public ComputeFunc
{
public:
    int compute(int x, int y) const override { return x + y; }
};

int compute3(int x, int y, const ComputeFunc& compute)
{
    // 调用接口方法
    return compute.compute(x, y);
}

// 调用方法如下
int main()
{
    ComputeAdd add_func; // 创建一个调用实例
    int sum = compute3(3, 4, add_func); // 传入调用实例
}

面向对象的方式更加灵活，因为这个回调的对象可以有很复杂的行为。

以上三种方法各有各的好处，根据你需要实现的功能的复杂性，扩展性和应用场景等决定使用。

另外，这些函数类型的参数可能为空，在调用之前，应该检查是否可以调用，如检查函数指针是否为空。

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