C++ function、bind以及lamda表达式

本文是C++0x系列的第四篇，主要是内容是C++0x中新增的lambda表达式, function对象和bind机制。之所以把这三块放在一起讲，是因为这三块之间有着非常密切的关系，通过对比学习，加深对这部分内容的理解。在开始之间，首先要讲一个概念，closure（闭包），这个概念是理解lambda的基础。下面我们来看看wikipedia上对于计算机领域的closure的定义：

A closure (also lexical closure, function closure or function value) is a function together with a referencing environment for the non-local variables of that function.

上面的大义是说，closure是一个函数和它所引用的非本地变量的上下文环境的集合。从定义我们可以得知，closure可以访问在它定义范围之外的变量，也即上面提到的non-local vriables，这就大大增加了它的功力。关于closure的最重要的应用就是回调函数，这也是为什么这里把function, bind和lambda放在一起讲的主要原因，它们三者在使用回调函数的过程中各显神通。下面就为大家一步步接开这三者的神秘面纱。

1. function

我们知道，在C++中，可调用实体主要包括函数，函数指针，函数引用，可以隐式转换为函数指定的对象，或者实现了opetator()的对象（即C++98中的functor)。C++0x中，新增加了一个std::function对象，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（我们知道像函数指针这类可调用实体，是类型不安全的）。我们来看几个关于function对象的例子：

#include < functional>
 
std::function< size_t (const char*) > print_func;
 
/// normal function -> std::function object
size_t CPrint(const char*) { ... }
print_func = CPrint;
print_func("hello world"):
 
/// functor -> std::function object
class CxxPrint
{
public:
    size_t operator()(const char*) { ... }
};
CxxPrint p;
print_func = p;
print_func("hello world");

在上面的例子中，我们把一个普通的函数和一个functor赋值给了一个std::function对象，然后我们通过该对象来调用。其它的C++中的可调用实体都可以像上面一样来使用。通过std::function的包裹，我们可以像传递普通的对象一样来传递可调用实体，这样就很好解决了类型安全的问题。了解了std::function的基本用法，下面我们来看一些使用过程中的注意事项：

• （1）关于可调用实体转换为std::function对象需要遵守以下两条原则：
  a. 转换后的std::function对象的参数能转换为可调用实体的参数
  b. 可高用实体的返回值能转换为std::function对象的（这里注意，所有的可调用实体的返回值都与返回void的std::function对象的返回值兼容）。
• （2）std::function对象可以refer to满足（1）中条件的任意可调用实体
• （3）std::function object最大的用处就是在实现函数回调，使用者需要注意，它不能被用来检查相等或者不相等

2. bind

bind是这样一种机制，它可以预先把指定可调用实体的某些参数绑定到已有的变量，产生一个新的可调用实体，这种机制在回调函数的使用过程中也颇为有用。C++98中，有两个函数bind1st和bind2nd，它们分别可以用来绑定functor的第一个和第二个参数，它们都是只可以绑定一个参数。各种限制，使得bind1st和bind2nd的可用性大大降低。C++0x中，提供了std::bind，它绑定的参数的个数不受限制，绑定的具体哪些参数也不受限制，由用户指定，这个bind才是真正意义上的绑定，有了它，bind1st和bind2nd就没啥用武之地了，因此C++0x中不推荐使用bind1st和bind2nd了，都是deprecated了。下面我们通过例子，来看看bind的用法：

#include < functional>
 
int Func(int x, int y);
auto bf1 = std::bind(Func, 10, std::placeholders::_1);
bf1(20); ///< same as Func(10, 20)
 
class A
{
public:
    int Func(int x, int y);
};
 
A a;
auto bf2 = std::bind(&A::Func, a, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
bf2(10, 20); ///< same as a.Func(10, 20)
 
std::function< int(int)> bf3 = std::bind(&A::Func, a, std::placeholders::_1, 100);
bf3(10); ///< same as a.Func(10, 100)

上面的例子中，bf1是把一个两个参数普通函数的第一个参数绑定为10，生成了一个新的一个参数的可调用实体体; bf2是把一个类成员函数绑定了类对象，生成了一个像普通函数一样的新的可调用实体; bf3是把类成员函数绑定了类对象和第二个参数，生成了一个新的std::function对象。看懂了上面的例子，下面我们来说说使用bind需要注意的一些事项：

• （1）bind预先绑定的参数需要传具体的变量或值进去，对于预先绑定的参数，是pass-by-value的
• （2）对于不事先绑定的参数，需要传std::placeholders进去，从_1开始，依次递增。placeholder是pass-by-reference的
• （3）bind的返回值是可调用实体，可以直接赋给std::function对象
• （4）对于绑定的指针、引用类型的参数，使用者需要保证在可调用实体调用之前，这些参数是可用的
• （5）类的this可以通过对象或者指针来绑定

3. lambda

讲完了function和bind, 下面我们来看lambda。有python基础的朋友，相信对于lambda不会陌生。看到这里的朋友，请再回忆一下前面讲的closure的概念，lambda就是用来实现closure的东东。它的最大用途也是在回调函数，它和前面讲的function和bind有着千丝万缕的关系。下面我们先通过例子来看看lambda的庐山真面目：

vector< int> vec;
/// 1. simple lambda
auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [](int i) { return i > 50; });
class A
{
public:
    bool operator(int i) const { return i > 50; }
};
auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), A());
 
/// 2. lambda return syntax
std::function< int(int)> square = [](int i) -> int { return i * i; }
 
/// 3. lambda expr: capture of local variable
{
    int min_val = 10;
    int max_val = 1000;
 
    auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [=](int i) {
        return i > min_val && i < max_val; 
        });
 
    auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [&](int i) {
        return i > min_val && i < max_val;
        });
 
    auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [=, &max_value](int i) {
        return i > min_val && i < max_val;
        });
}
 
/// 4. lambda expr: capture of class member
class A
{
public:
    void DoSomething();
 
private:
    std::vector  m_vec;
    int               m_min_val;
    int               m_max_va;
};
 
/// 4.1 capture member by this
void A::DoSomething()
{
    auto it = std::find_if(m_vec.begin(), m_vec.end(), [this](int i){
        return i > m_min_val && i < m_max_val; });
}
 
/// 4.2 capture member by default pass-by-value
void A::DoSomething()
{
    auto it = std::find_if(m_vec.begin(), m_vec.end(), [=](int i){
        return i > m_min_val && i < m_max_val; });
}
 
/// 4.3 capture member by default pass-by-reference
void A::DoSomething()
{
    auto it = std::find_if(m_vec.begin(), m_vec.end(), [&](int i){
        return i > m_min_val && i < m_max_val; });
}

上面的例子基本覆盖到了lambda表达的基本用法。我们一个个来分析每个例子（标号与上面代码注释中1，2，3，4一致）：

• （1）这是最简单的lambda表达式，可以认为用了lambda表达式的find_if和下面使用了functor的find_if是等价的
• （2）这个是有返回值的lambda表达式，返回值的语法如上面所示，通过->写在参数列表的括号后面。返回值在下面的情况下是可以省略的：
  a. 返回值是void的时候
  b. lambda表达式的body中有return expr，且expr的类型与返回值的一样
• （3）这个是lambda表达式capture本地局部变量的例子，这里三个小例子，分别是capture时不同的语法，第一个小例子中=表示capture的变量pass-by-value, 第二个小拿出中&表示capture的变量pass-by-reference，第三个小例子是说指定了default的pass-by-value, 但是max_value这个单独pass-by-reference
• （4）这个是lambda表达式capture类成员变量的例子，这里也有三个小例子。第一个小例子是通过this指针来capture成员变量，第二、三个是通过缺省的方式，只不过第二个是通过pass-by-value的方式，第三个是通过pass-by-reference的

分析完了上面的例子，我们来总结一下关于lambda表达式使用时的一些注意事项：

• （1）lambda表达式要使用引用变量，需要遵守下面的原则：
  a. 在调用上下文中的局部变量，只有capture了才可以引用（如上面的例子3所示）
  b. 非本地局部变量可以直接引用
• （2）使用者需要注意，closure（lambda表达式生成的可调用实体）引用的变量（主要是指针和引用），在closure调用完成之前，必须保证可用，这一点和上面bind绑定参数之后生成的可调用实体是一致的
• （3）关于lambda的用处，就是用来生成closure，而closure也是一种可调用实体，所以可以通过std::function对象来保存生成的closure，也可以直接用auto

通过上面的介绍，我们基本了解了function, bind和lambda的用法，把三者结合起来，C++将会变得非常强大，有点函数式编程的味道了。最后，这里再补充一点，对于用bind来生成function和用lambda表达式来生成function, 通常情况下两种都是ok的，但是在参数多的时候,bind要传入很多的std::placeholders，而且看着没有lambda表达式直观，所以通常建议优先考虑使用lambda表达式。