C++11新增特性：lambda表达式、function包装器、bind绑定

小宇成长录2024-09-25 3:02

一、lambda表达式

1）、为啥需要引入lambda？

在c++98中，我们使用sort对一段自定义类型进行排序的时候，每次都需要传一个仿函数，即手写一个完整的类。甚至有时需要同时实现排升序和降序，就需要各自手写一个类，非常不方便！所以C++11引入了lambda表达式！

lamaba是一个匿名函数对象，是一个可调用对象，表达式本质上也是一个类（vs中类名为lambda_uuid）,并实现了operator()。

【C98玩法】：

c 复制代码 
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());
}

【C++11 lambda表达式】：

c 复制代码 
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; });
}

2）、lambda表达式语法

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

  • capture-list（捕捉列表）：编译器根据[ ]来判断接下来的代码是否为lambda函数，[ ]可以捕捉父作用域的变量供lambda函数使用。
  • parameters（列表参数）：和普通函数列表参数一样。如果没用，可以连同()一起省略。
  • mutable 默认情况下lambda是一个const函数（实际上是用于修饰operator()的），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)。
  • return-type：用于声明返回值类型。如果没用返回值可以省略；即使有返回值也可以省略，由编译器自动推导！
  • 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。

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。

3）、capture-list（捕捉列表）细节

捕捉列表用于捕捉父作用域中变量供lambda函数使用，捕捉方分为以下几种：

  1. [var]：表示值传递方式捕捉变量var。
  2. [=]：表示传值方式捕捉父作用域中的所有变量(包括this)。
  3. [&var]：表示引用传递方式捕捉变量var。
  4. [&]：表示引用方式捕捉父作用域中的所有变量(包括this)。
  5. [this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针

除此之外，捕捉列表可以由多个捕捉项组成，以逗号分割。比如：

[=, &a, &b]:除引用捕捉a、b外，其他父作用域变量传值捕捉！

[&, a, this]:值传递方式捕捉变量a和this，引用方式捕捉其他变量。

并且捕捉列表不能重复变量传递，否则会导致编译错误。比如：[=, a]:a变量传递了两次。lambda表达式之间不能相互赋值，即使类型相同，但编译后类名都变为了lambda_uuid），类名不相同！

4）、函数对象与lambda表达式

函数对象又称仿函数，既可以像普通函数一样使用（在类中重载operator()）。而lambda本质上一个一个函数对象，在编译后会转化成一个仿函数，并对operator()进行重载！

cpp 复制代码 
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);

	// lamber
	auto r2 = [=](double monty, int year)->double {
		return monty * rate * year;
	};
	r2(10000, 2);
	return 0;
}

【反汇编结果】：

二、function包装器

1）、包装器由来

function包装器 也叫作适配器，包装的是可调用对象。C++中的function本质是一个类模板，也是一个包装器。

在C++中有3种可调用对象：函数指针、仿函数、lambda！但我们发现想要获得他们的都存在一些缺陷：函数指针非常麻烦，类型和对象嵌在一起；仿函数很重，即使是一个很简单的比较逻辑也要在外面定义一个类；lambda没法写类型，不同的机器和时间uuid不同，并且相对匿名（当然decltype可以获的）

除此在外，众多的可调用对象类型会导致模板的效率低下! 原因在于假设现在存在一个函数模板，我需要将一个可调用对象作为模板参数进行传递来达到某种目的。但众多的可调用对象可能实现的是同一个功能，但分别传递给模板后需要实例化3份，导致模板效率降低！！所以包装器对可调用对象进行了统一！

【实例】：

c 复制代码 
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){ return d / 4; }, 11.11) << endl;
	return 0;
}

2)、包装器原型

c 复制代码 
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

即现在存在一个包装器为：function<int(int, int)>，该包装器将所有的参数为2个int，返回值为int的所有可调用对象进行统一，认为是一个类型！！

3)、使用

c 复制代码 
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){
		return d;
	 };
	cout << useF(func3, 11.11) << endl;
	return 0;
}

4）、面试题

150. 逆波兰表达式求值

c 复制代码 
class Solution {
public:
    int evalRPN(vector<string>& tokens) {
        unordered_map<string, function<int(int, int)>> ophash = {
            {"+", [](int x, int y){return x + y;}},
            {"-", [](int x, int y){return x - y;}},
            {"*", [](int x, int y){return x * y;}},
            {"/", [](int x, int y){return x / y;}}
        };

        stack<int> st;
        for(auto str : tokens)
        {
            if(ophash .find(str) != ophash .end())
            {
                int right = st.top(); st.pop();
                int left = st.top(); st.pop();
                st.push(ophash [str](left, right));
            }
            else
                st.push(stoi(str));
        }
        return st.top();
    }
};

三、bind绑定

bind也是一个函数模板，可以接收一个可调用对象，并返回一个新的可调用对象，用于调整参数的个数和顺序！！

c 复制代码 
// 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);

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。

1）普通绑定用法

【实例】：

c 复制代码 
int Sub(int a, int b)
{
	return a - b;
}

int main()
{
	std::function<int(int, int)> func1 = std::bind(Plus, 
										 std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
	std::cout << func1(10, 2) << std::endl;
}

bind函数中，_1和_2都是占位符。当执行func1(10, 2)函数时，参数10和2会被作为参数传递给Plus函数。其中std::placeholders::_1表示func1第一个参数的位置， std::placeholders::_2表示第二个参数所在位置！

2）、改变参数位置

既然_1和_2是占位符，所以仅需改变两者位置，所以func函数传递给Plus的参数即可转换。具体结果如下：

cpp 复制代码 
int Sub(int a, int b)
{
	return a - b;
}

int main()
{
	std::function<int(int, int)> func1 = std::bind(Sub, 
										 std::placeholders::_2, std::placeholders::_1);
	std::cout << func1(10, 2) << std::endl;
}

3）改变参数的个数

我们在类外调用一个类成员函数，调用成员函数时第一个参数为该对象的指针。但每次我们手动传递的时候非常麻烦。所以我们可以通过bind()将第一个参数进行绑死，改变参数个数。具体如下：

c 复制代码 
class Plus
{
public:
	static int Plusi(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}

	double Plusd(double x, double y)
	{
		return x + y;
	}
};
int main()
{
	Plus ps;
	
	// 正常情况下，第一个参数this指针需要手动传递， 麻烦
	std::function<double(Plus*, double, double)> func1 = &Plus::Plusd;
	std::cout << func1(&ps, 10.1, 20.2) << std::endl;

	// 将第一个参数绑死为Plus*， 
	std::function<double(double, double)> func2 = std::bind(&Plus::Plusd,
	 									&ps, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
	std::cout << func2(10.1, 20.2) << std::endl;

	// 将第一个参数和第三个参数绑死
	std::function<double(double)> func3 = std::bind(&Plus::Plusd, 
													&ps, std::placeholders::_1, 1.1);
	std::cout << func3(10.1) << std::endl;
	
	// 所有参数直接全部绑死， 注意此处博主绑定的是静态函数
	auto func4 = std::bind(&Plus::Plusi, 10, 10);
	std::cout << func4() << std::endl;
	
	//绑定时，第一个参数因为指针，但编译器做了特殊处理，可以绑定临时对象
	std::function<double(double, double)> func5 = std::bind(&Plus::Plusd, 
									Plus(), std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
	std::cout << func5(1.1, 2.2) << std::endl;
}
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