【C++】lambda 表达式 | 包装器

作者:@阿亮joy.
专栏:《吃透西嘎嘎》
座右铭:每个优秀的人都有一段沉默的时光,那段时光是付出了很多努力却得不到结果的日子,我们把它叫做扎根
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目录

    • lambda表达式
      • C++98中的一个例子
      • lambda表达式
      • lambda表达式语法
    • 包装器
      • function包装器
      • bind
    • 总结

lambda表达式

C++98中的一个例子

【C++】lambda 表达式 | 包装器_第1张图片
注:是否需要加括号,看的是模板需要的是对象还是类型。如果是对象就要加括号,而如果是类型就不需要加括号。

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 
using namespace std;
#include 
#include 

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;
}

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。

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。

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 } };
	// 价格低的排前面
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
		return g1._price < g2._price; });
	// 价格高的排前面
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
		return g1._price > g2._price; });
	// 评价低的排前面
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
		return g1._evaluate < g2._evaluate; });
	// 评价高的排前面
	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。

lambda表达式语法

在这里插入图片描述

  1. 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,即使为空,也不能省略。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()
{
	// 两个数向加的lambda表达式
	auto Add1 = [](int a, int b)->int {return a + b; };
	cout << Add1(1, 2) << endl;

	// 可省略返回值类型
	auto Add2 = [](int a, int b) {return a + b; };
	cout << Add1(1, 2) << endl;

	// 交换变量的lambda表达式
	int x = 10, y = 20;
	// 该lambda表达式无法实现交换
	auto Swap1 = [](int a, int b)->void {int tmp = a; a = b; b = tmp; };
	Swap1(x, y);
	cout << x << " " << y << endl;

	auto Swap2 = [](int& a, int& b)
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap2(x, y);
	cout << x << " " << y << endl;

	// 不传参数交换x、y的lambda表达式 -- 捕捉列表
	// 默认捕捉列表的对象不可修改,需要mutable
	// 无法完成交换,传值捕捉
	auto Swap3 = [x, y]()mutable
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	Swap3();
	cout << x << " " << y << endl;

	// 传引用捕捉
	auto Swap4 = [&x, &y]
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	Swap4();
	cout << x << " " << y << endl;

	return 0;
}

【C++】lambda 表达式 | 包装器_第2张图片

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. 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 指针)
  • [&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 指针)
  • [this]:表示值传递方式捕捉当前的 this 指针

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 指针,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的变量或者非全局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。
  • 父作用域是指当前的函数栈帧,变量的生命周期由存储区域来决定,作用域决定编译器的查找。编译器先会在当前作用域中查找,如果没找到,再去全局域中查找。如果还没有找到,就会报错。如果指定了作用域,编译器只会在指定的作用域中查找。
int main()
{
	int a, b, c, d, e;
	a = b = c = d = e = 10;

	// 全部传值捕捉
	auto func1 = [=]() {
		cout << a << ' ' << b << ' ' << c << ' ' << d << ' ' << e << endl;
	};
	func1();

	// 全部传值捕捉
	// lambda表达式的定义
	auto func2 = [=, &a]() {
		cout << a << ' ' << b << ' ' << c << ' ' << d << ' ' << e << endl;
	};
	func2();	// lambda表达式的调用

	return 0;
}

lambda 表达式的底层是仿函数,该仿函数的名字是 lambda + UUID,lambda 表达式的定义就是对象的定义。其捕捉列表就是函数传参,lambda 表达式的调用就是调用 operator()。

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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()。

void (*PF)();
int main()
{
	auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	// lambda表达式之间不能相互赋值,即使看起来类型相同
	// 因为lambda表达式的底层实现是定义一个类lambda+UUID
	//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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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。

ret = func(x);

上面func可能是什么呢?那么 func 可能是函数名、函数指针和函数对象(仿函数),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!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/函数指针
	cout << useF(f, 11.11) << endl;

	// 仿函数/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;
}

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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。

包装器就可以很好地解决上面的问题。

std::function在头文件<functional>
// 类模板原型如下
template <class T> function; 
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
#include 

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;
	
	// lambda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
	// 绑定静态成员函数不需要传对象过去
	std::function<int(int, int)> func4 = Plus::plusi;
	cout << func4(1, 2) << endl;
	// 绑定非静态成员函数需要传对象过去
	std::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?

#include 
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(函数指针)
	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;

	// lambda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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包装器解决逆波兰表达式求值

逆波兰表达式求值思路:遇到操作数,操作数入操作数栈。遇到操作符,出栈顶两个操作数进行运算,再将运算结果压入操作数栈中。当遍历结束,栈顶的操作数就是逆波兰表达式的结果。

class Solution 
{
public:
    int evalRPN(vector<string>& tokens) 
    {
        stack<long long> st;
        // 事件响应
        map<string, function<long long(long long, long long)>> opFuncMap = 
        {
            {"+", [](long long a, long long b){ return a + b; }},
            {"-", [](long long a, long long b){ return a - b; }},
            {"*", [](long long a, long long b){ return a * b; }},
            {"/", [](long long a, long long b){ return a / b; }},
        };

        for(auto& str : tokens)
        {
            // map的count函数接口可以判断在不在,因为其返回值是0或1
            if(opFuncMap.count(str))    // 操作符
            {
                int right = st.top();
                st.pop();
                int left = st.top();
                st.pop();
                st.push(opFuncMap[str](left, right));
            }
            else    // 操作数
                st.push(stoll(str));
        }

        return st.top();
    }
};

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为什么 pop 函数返回值类型是 void,而不是 T 呢?如果 pop 函数返回了栈顶元素,那么它按值返回而不能按引用返回,因为按引用返回将创建一个悬空指针。而按值返回效率低下,它至少涉及一个冗余的拷贝构造函数。但是到了 C++11,其实将 pop 函数设计成按值返回也没有什么问题,因为有了移动构造和移动赋值。

【C++】lambda 表达式 | 包装器_第9张图片

bind

std::bind 函数定义在 functional 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。

【C++】lambda 表达式 | 包装器_第10张图片

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 函数的一般形式: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。

【C++】lambda 表达式 | 包装器_第11张图片
【C++】lambda 表达式 | 包装器_第12张图片

#include 

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 与func1类型一样
	cout << func1(1, 2) << endl;

	//表示绑定函plus的第一、第二个参数为1和2
	auto func2 = std::bind(Plus, 1, 2);
	cout << func2() << endl;

	// 绑定成员函数
	std::function<int(int, int)> func3 = std::bind(&Sub::sub, Sub(),
		placeholders::_1, placeholders::_2);
	// 参数调换顺序
	std::function<int(int, int)> func4 = std::bind(&Sub::sub, Sub(),
		placeholders::_2, placeholders::_1);
	cout << func3(1, 2) << endl;
	cout << func4(1, 2) << endl;
	return 0;
}

【C++】lambda 表达式 | 包装器_第13张图片

注:_1、_2… 定义在 placeholders 命名空间中,代表绑定函数对象的形参,_1、_2…分别代表第一个形参、第二个形参… 。bind 函数通常用于调整个数,把固定参数给绑定死。

总结

本篇博客主要讲解了 lambda 表达式、function 包装器和 bind 函数等等。那么以上就是本篇博客的全部内容了,如果大家觉得有收获的话,可以点个三连支持一下!谢谢大家!❣️

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