【C++】C++11 (3): lambda表达式和包装器
一、lambda表达式
- C++98中的一个例子
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 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 = { { "apple", 1.0, 5 }, { "banana", 3, 4 },
{ "orange", 2.2, 3 }, { "pineapple", 1.5, 4 } };
sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
}
上面的写法太复杂了，每次为了实现一个algorithm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，这些都带来了极大的不便。因此，在C++11语法中出现了Lambda表达式。
int main()
{
vector<Goods> v = { { "apple", 1.0, 5 }, { "banana", 3, 4 },
{ "orange", 2.2, 3 }, { "pineapple", 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;
});
}
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
1. lambda表达式语法
lambda表达式书写格式：
[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { statement }
-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，捕捉列表能够捕捉上文中的变量供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(即参数为空)。->return-type：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()
{
// 最简单的lambda表达式, 该lambda表达式没有任何意义
[] {};
// 省略参数列表和返回值类型，返回值类型由编译器推导为int
int a = 3, b = 4;
[=] {
return a + 3;
};
// 省略了返回值类型，无返回值类型
auto fun1 = [&](int c) {
b = a + c;
};
fun1(10);
cout << a << " " << b << endl;
// 各部分都很完善的lambda函数
auto fun2 = [=, &b](int c)->int {
return b += a + c;
};
cout << fun2(10) << endl;
// 复制捕捉x
int x = 10;
auto add_x = [x](int a) mutable {
x *= 2;
return a + x;
};
cout << add_x(10) << endl;
return 0;
}
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。
2. 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)[&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)[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]表示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，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 或者 非局部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
void (*PF)();
int main()
{
auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };
// 此处先不解释原因，等lambda表达式底层实现原理看完后，大家就清楚了
//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;
}
3. 函数对象与lambda表达式
函数对象，又称为仿函数，即可以像函数一样使用的对象，就是在类中重载了operator()运算符的类对象
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);
// lambda
auto r2 = [=](double monty, int year)->double {
return monty * rate * year;
};
r2(10000, 2);
return 0;
}
从使用方式上来看，函数对象与lambda表达式完全一样。
函数对象将rate作为其成员变量，在定义对象时给出初始值即可，lambda表达式通过捕获列表可以直接将该变量捕获到。
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()。
二、包装器
1. function
function包装器，也可以叫作适配器。C++中的function本质是一个类模板，也是一个包装器。 那么我们为什么需要function呢？
ret = func(x);func可能是什么呢？
func可能是函数名？函数指针？函数对象(仿函数对象)？也有可能是lambda表达式对象？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);// 返回x计算后的值
}
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;
// lambda表达式
cout << useF([](double d)->double { return d / 4; }, 11.11) << endl;
return 0;
}
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（count有三个不同地址）。
包装器可以很好的解决上面的问题
std::function在头文件
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
使用方法如下：
#include 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 
包装器对这些可调用对象的类型进行了统一，useF只实例化了一份，三次调用的都是同一份。
包装器的其他一些场景：
逆波兰表达式求值：
class Solution {
public:
int evalRPN(vector<string>& tokens) {
stack<int> st;
for (auto& str : tokens) {
if (str == "+" || str == "-"
|| str == "*" || str == "/") {
int right = st.top(); st.pop();
int left = st.top(); st.pop();
switch (str[0]) {
case '+':
st.push(left + right);
break;
case '-':
st.push(left - right);
break;
case '*':
st.push(left * right);
break;
case '/':
st.push(left / right);
break;
}
}
else
{
st.push(stoi(str));
}
}
return st.top();
}
};
使用包装器后：
class Solution {
public:
int evalRPN(vector<string>& tokens) {
stack<int> st;
map<string, function<int(int, int)>> opFuncMap = {
{ "+", [](int i, int j) {return i + j; } },
{ "-", [](int i, int j) {return i - j; } },
{ "*", [](int i, int j) {return i * j; } },
{ "/", [](int i, int j) {return i / j; } }
};
for (auto& str : tokens) {
if (opFuncMap.find(str) != opFuncMap.end()) {
int right = st.top(); st.pop();
int left = st.top(); st.pop();
st.push(opFuncMap[str](left, right));
} else {
st.push(stoi(str));
}
}
return st.top();
}
};
2. 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。
// 原型如下：
template <class Fn, class... Args>
/* unspecified */ bind (Fn&& fn, Args&&... args);
template <class Ret, class Fn, class... Args>
/* unspecified */ bind (Fn&& fn, Args&&... args);
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。
// 使用举例
#include 与func1类型一样
// 表示绑定函数 Plus 的第一，二为： 1， 2
auto func2 = std::bind(Plus, 1, 2);
cout << func1(1, 2) << endl;
cout << func2() << endl;
Sub s;
// 绑定成员函数
std::function<int(int, int)> func3 = std::bind(&Sub::sub, s, placeholders::_1, placeholders::_2);
// 参数调换顺序
std::function<int(int, int)> func4 = std::bind(&Sub::sub, s, placeholders::_2, placeholders::_1);
cout << func3(1, 2) << endl;// 1 - 2
cout << func4(1, 2) << endl;// 2 - 1
return 0;
}
通过使用 bind 函数，我们可以创建灵活的函数对象，方便地进行参数控制和函数重用。