C++基础之仿函数和lambda表达式
一、仿函数
1.为什么要有仿函数
我们先从一个非常简单的问题入手，来了解为什么要有仿函数。
假设我们现在有一个数组，数组中存有任意数量的数字，我们希望能够统计出这个数组中大于 10 的数字的数量，你的代码很可能是这样的：
#include
using namespace std;
int RecallFunc(int *start, int *end, bool (*pf)(int)) {
int count=0;
for(int *i = start; i != end+1; i++) {
count = pf(*i) ? count+1 : count;
}
return count;
}
bool IsGreaterThanTen(int num) {
return num>10 ? true : false;
}
int main() {
int a[5] = {10,100,11,5,19};
int result = RecallFunc(a, a+4, IsGreaterThanTen);
cout< RecallFunc() 函数的第三个参数是一个函数指针，用于外部调用，而 IsGreaterThanTen() 函数通常也是外部已经定义好的，它只接受一个参数的函数。如果此时希望将判定的阈值也作为一个变量传入，变为如下函数就不可行了：
bool IsGreaterThanThreshold(int num, int threshold) {
return num>threshold ? true : false;
}虽然这个函数看起来比前面一个版本更具有一般性，但是它不能满足已经定义好的函数指针参数的要求，因为函数指针参数的类型是bool (*)(int)，与函数bool IsGreaterThanThreshold(int num, int threshold)的类型不相符。如果一定要完成这个任务，按照以往的经验，我们可以考虑如下可能途径：
（1）阈值作为函数的局部变量。局部变量不能在函数调用中传递，故不可行；
（2）函数传参。这种方法我们已经讨论过了，多个参数不适用于已定义好的 RecallFunc() 函数。
（3）全局变量。我们可以将阈值设置成一个全局变量。这种方法虽然可行，但不优雅，且容易引入 Bug，比如全局变量容易同名，造成命名空间污染。
还有什么好的处理办法呢？仿函数应运而生。
2.仿函数的定义
仿函数（Functor）又称为函数对象（Function Object）是一个能行使函数功能的类。
仿函数的语法几乎和我们普通的函数调用一样，不过作为仿函数的类，都必须重载 operator() 运算符。因为调用仿函数，实际上就是通过类对象调用重载后的 operator() 运算符。
如果编程者要将某种“操作”当做算法的参数，一般有两种方法：
（1）一个办法就是先将该“操作”设计为一个函数，再将函数指针当做算法的一个参数。上面的实例就是该做法；
（2）将该“操作”设计为一个仿函数（就语言层面而言是个 class），再以该仿函数产生一个对象，并以此对象作为算法的一个参数。
很明显第二种方法会更优秀，因为第一种方法扩展性较差，当函数参数有所变化，则无法兼容旧的代码，具体在第一小节已经阐述。正如上面的例子，在我们写代码时有时会发现有些功能代码，会不断地被使用。为了复用这些代码，实现为一个公共的函数是一个解决方法。不过函数用到的一些变量，可能是公共的全局变量。引入全局变量，容易出现同名冲突，不方便维护。
这时就可以使用仿函数了，写一个简单类，除了维护类的基本成员函数外，只需要重载 operator() 运算符 。这样既可以免去对一些公共变量的维护，也可以使重复使用的代码独立出来，以便下次复用。而且相对于函数更优秀的性质，仿函数还可以进行依赖、组合与继承等，这样有利于资源的管理。如果再配合模板技术和 Policy 编程思想，则更加威力无穷，大家可以慢慢体会。Policy 表述了泛型函数和泛型类的一些可配置行为（通常都具有被经常使用的缺省值）。
STL 中也大量涉及到仿函数，有时仿函数的使用是为了函数拥有类的性质，以达到安全传递函数指针、依据函数生成对象、甚至是让函数之间有继承关系、对函数进行运算和操作的效果。比如 STL 中的容器 set 就使用了仿函数 less ，而 less 继承的 binary_function，就可以看作是对于一类函数的总体声明，这是函数做不到的。
// less的定义
template struct less : public binary_function<_Tp, _Tp, bool> {
bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const
{ return __x < __y; }
};
// set 的申明
template,typename _Alloc = std::allocator<_Key>> class set; 仿函数中的变量可以是 static 的，同时仿函数还给出了 static 的替代方案，仿函数内的静态变量可以改成类的私有成员，这样可以明确地在析构函数中清除所用内容，如果用到了指针，那么这个是不错的选择。有人说这样的类已经不是仿函数了，但其实，封装后从外界观察，可以明显地发现，它依然有函数的性质。
3.仿函数实例
我们先来看一个仿函数的例子。
class StringAppend {
public:
explicit StringAppend(const string& str) : ss(str){}
void operator() (const string& str) const {
cout << str << ' ' << ss << endl;
}
private:
const string ss;
};
int main() {
StringAppend myFunctor2("and world!");
myFunctor2("Hello");
}编译运行输出：
Hello and world!
这个例子应该可以让您体会到仿函数的一些作用：它既能像普通函数一样传入给定数量的参数，还能存储或者处理更多我们需要的有用信息。于是仿函数提供了第四种解决方案：成员变量。成员函数可以很自然地访问成员变量，从而可以解决第一节“1.为什么要有仿函数”中提到的问题：计算出数组中大于指定阈值的数字数量。
#include
using namespace std;
class IsGreaterThanThresholdFunctor {
public:
explicit IsGreaterThanThresholdFunctor(int t):threshold(t){}
bool operator() (int num) const {
return num > threshold ? true : false;
}
private:
const int threshold;
};
int RecallFunc(int *start, int *end, IsGreaterThanThresholdFunctor myFunctor) {
int count = 0;
for (int *i = start; i != end + 1; i++) {
count = myFunctor(*i) ? count + 1 : count;
}
return count;
}
int main() {
int a[5] = {10,100,11,5,19};
int result = RecallFunc(a, a + 4, IsGreaterThanThresholdFunctor(10));
cout << result << endl;
} 编译运行输出：
3
二、Lambda表达式
C++11的一大亮点就是引入了Lambda表达式。利用Lambda表达式，可以方便的定义和创建匿名函数。对于C++这门语言来说来说，“Lambda表达式”或“匿名函数”这些概念听起来好像很深奥，但很多高级语言在很早以前就已经提供了Lambda表达式的功能，如C#，Python等。今天，我们就来简单介绍一下C++中Lambda表达式的简单使用。
声明Lambda表达式
Lambda表达式完整的声明格式如下：
[capture list] (params list) mutable exception-> return type { function body }
各项具体含义如下
- capture list：捕获外部变量列表
- params list：形参列表
- mutable指示符：用来说用是否可以修改捕获的变量
- exception：异常设定
- return type：返回类型
- function body：函数体
此外，我们还可以省略其中的某些成分来声明“不完整”的Lambda表达式，常见的有以下几种：
| 序号 |
格式 |
| 1 |
[capture list] (params list) -> return type {function body} |
| 2 |
[capture list] (params list) {function body} |
| 3 |
[capture list] {function body} |
其中：
- 格式1声明了const类型的表达式，这种类型的表达式不能修改捕获列表中的值。
- 格式2省略了返回值类型，但编译器可以根据以下规则推断出Lambda表达式的返回类型： （1）：如果function body中存在return语句，则该Lambda表达式的返回类型由return语句的返回类型确定； （2）：如果function body中没有return语句，则返回值为void类型。
格式3中省略了参数列表，类似普通函数中的无参函数。
讲了这么多，我们还没有看到Lambda表达式的庐山真面目，下面我们就举一个实例。
#include
#include
#include using namespace std;
bool cmp(int a, int b)
{
return a < b;
}
int main()
{
vector myvec{ 3, 2, 5, 7, 3, 2 };
vector lbvec(myvec);
sort(myvec.begin(), myvec.end(), cmp); // 旧式做法
cout << "predicate function:" << endl;
for (int it : myvec)
cout << it << ' ';
cout << endl;
sort(lbvec.begin(), lbvec.end(), [](int a, int b) -> bool { return a < b; }); // Lambda表达式
cout << "lambda expression:" << endl;
for (int it : lbvec)
cout << it << ' ';
} 在C++11之前，我们使用STL的sort函数，需要提供一个谓词函数。如果使用C++11的Lambda表达式，我们只需要传入一个匿名函数即可，方便简洁，而且代码的可读性也比旧式的做法好多了。
下面，我们就重点介绍一下Lambda表达式各项的具体用法。
捕获外部变量
Lambda表达式可以使用其可见范围内的外部变量，但必须明确声明（明确声明哪些外部变量可以被该Lambda表达式使用）。那么，在哪里指定这些外部变量呢？Lambda表达式通过在最前面的方括号[]来明确指明其内部可以访问的外部变量，这一过程也称过Lambda表达式“捕获”了外部变量。
我们通过一个例子来直观地说明一下：
#include using namespace std;
int main()
{
int a = 123;
auto f = [a] { cout << a << endl; };
f(); // 输出：123
//或通过“函数体”后面的‘()’传入参数
auto x = [](int a){cout << a << endl;}(123);
} 上面这个例子先声明了一个整型变量a，然后再创建Lambda表达式，该表达式“捕获”了a变量，这样在Lambda表达式函数体中就可以获得该变量的值。
类似参数传递方式（值传递、引入传递、指针传递），在Lambda表达式中，外部变量的捕获方式也有值捕获、引用捕获、隐式捕获。
1、值捕获
值捕获和参数传递中的值传递类似，被捕获的变量的值在Lambda表达式创建时通过值拷贝的方式传入，因此随后对该变量的修改不会影响影响Lambda表达式中的值。
示例如下：
int main()
{
int a = 123;
auto f = [a] { cout << a << endl; };
a = 321;
f(); // 输出：123
}这里需要注意的是，如果以传值方式捕获外部变量，则在Lambda表达式函数体中不能修改该外部变量的值。
2、引用捕获
使用引用捕获一个外部变量，只需要在捕获列表变量前面加上一个引用说明符&。如下：
int main()
{
int a = 123;
auto f = [&a] { cout << a << endl; };
a = 321;
f(); // 输出：321
}从示例中可以看出，引用捕获的变量使用的实际上就是该引用所绑定的对象。
3、隐式捕获
上面的值捕获和引用捕获都需要我们在捕获列表中显示列出Lambda表达式中使用的外部变量。除此之外，我们还可以让编译器根据函数体中的代码来推断需要捕获哪些变量，这种方式称之为隐式捕获。隐式捕获有两种方式，分别是[=]和[&]。[=]表示以值捕获的方式捕获外部变量，[&]表示以引用捕获的方式捕获外部变量。
隐式值捕获示例：
int main()
{
int a = 123;
auto f = [=] { cout << a << endl; }; // 值捕获
f(); // 输出：123
}隐式引用捕获示例：
int main()
{
int a = 123;
auto f = [&] { cout << a << endl; }; // 引用捕获
a = 321;
f(); // 输出：321
}4、混合方式
上面的例子，要么是值捕获，要么是引用捕获，Lambda表达式还支持混合的方式捕获外部变量，这种方式主要是以上几种捕获方式的组合使用。
到这里，我们来总结一下：C++11中的Lambda表达式捕获外部变量主要有以下形式：
| 捕获形式 |
说明 |
| [] |
不捕获任何外部变量 |
| [变量名, …] |
默认以值得形式捕获指定的多个外部变量（用逗号分隔），如果引用捕获，需要显示声明（使用&说明符） |
| [this] |
以值的形式捕获this指针 |
| [=] |
以值的形式捕获所有外部变量 |
| [&] |
以引用形式捕获所有外部变量 |
| [=, &x] |
变量x以引用形式捕获，其余变量以传值形式捕获 |
| [&, x] |
变量x以值的形式捕获，其余变量以引用形式捕获 |
修改捕获变量
前面我们提到过，在Lambda表达式中，如果以传值方式捕获外部变量，则函数体中不能修改该外部变量，否则会引发编译错误。那么有没有办法可以修改值捕获的外部变量呢？这是就需要使用mutable关键字，该关键字用以说明表达式体内的代码可以修改值捕获的变量，示例：
int main()
{
int a = 123;
auto f = [a]()mutable { cout << ++a; }; // 不会报错
cout << a << endl; // 输出：123
f(); // 输出：124
}Lambda表达式的参数
Lambda表达式的参数和普通函数的参数类似，那么这里为什么还要拿出来说一下呢？原因是在Lambda表达式中传递参数还有一些限制，主要有以下几点：
- 参数列表中不能有默认参数
- 不支持可变参数
- 所有参数必须有参数名
常用举例：
{
int m = [](int x) { return [](int y) { return y * 2; }(x)+6; }(5);
std::cout << "m:" << m << std::endl; //输出m:16
std::cout << "n:" << [](int x, int y) { return x + y; }(5, 4) << std::endl; //输出n:9
auto gFunc = [](int x) -> function { return [=](int y) { return x + y; }; };
auto lFunc = gFunc(4);
std::cout << lFunc(5) << std::endl;
auto hFunc = [](const function& f, int z) { return f(z) + 1; };
auto a = hFunc(gFunc(7), 8);
int a = 111, b = 222;
auto func = [=, &b]()mutable { a = 22; b = 333; std::cout << "a:" << a << " b:" << b << std::endl; };
func();
std::cout << "a:" << a << " b:" << b << std::endl;
a = 333;
auto func2 = [=, &a] { a = 444; std::cout << "a:" << a << " b:" << b << std::endl; };
func2();
auto func3 = [](int x) ->function { return [=](int y) { return x + y; }; };
std::function f_display_42 = [](int x) { print_num(x); };
f_display_42(44);
}