【C++学习】C++11——lambda表达式 | 可变参数模板 | 包装器

作者：一只大喵咪1201
专栏：《C++学习》
格言：你只管努力，剩下的交给时间！

lambda表达式

用一个类来描述水果，包括水果的名字，价钱，水果的评分。

将该类实例化出来，进行排序，分别按照价格和评分升序排序。

• 使用sort()进行排序时，传入比较方法。

使用两个仿函数分别实现价格和评价升序排序的比较逻辑。

运行结果如上图所示，符合我们预期。

• 如果此时还想根据其他数据排序呢？比如名称，重量等等。

每多一种排序方式就需要写一个仿函数，而且该仿函数只有这里会使用一次，之后就不再使用了。

• 当排序方式多了以后，而且仿函数命名不是很规范，比如是Compare1，conpare2……

此时程序的可读性就会降低，需要反复确认当前使用的Comare是根据什么比较的，而且很冗余。

C++11中提供了lambda表达式。

见lambda表达式：

上图红色框中所示就是lambda表达式。

同样可以实现使用仿函数的比较结果。

• lambda表达式就像是是一个匿名仿函数对象，只在当前位置使用，使用完毕后销毁。
• 而且增加了代码的可读性，可以直接看到sort的比较逻辑。

lambda表达式语法

lambda表达式书写格式：

[捕捉列表](参数列表)mutable->(返回值类型){函数体}

• [捕捉列表]

捕捉列表是编译器判断lambda表达式的依据，所以必须写[]，[]内可以有参数，后面详细讲解。

• (参数列表)

参数列表和普通函数的参数列表一样，如果不需要参数传递，可以连同()一起省略。

• mutable

默认情况下，lambda表达式的形参都是const类型，形参不可以被修改，使用mutable可以取消形参的常量属性。使用mutable时，参数列表不可以省略(即使参数为空)。一般情况下mutable都是省略的。

• ->返回值类型

->和返回值类型是一体的，如->int表示lambda的返回值是int类型。一般情况下省略->返回值类型，因为编译器可以根据函数体中的return推导出返回值类型。为了提高程序的可读性可以写上。

• {函数体}

和普通函数一样，{}里的是lambda的具体实现逻辑。{函数体}里的内容可以写在一行：

{表达式1;表达式2;//.......}

也可以写成多行:

{
	表达式1;
	表达式2;
	//.....
}

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，可写可不写。
• 而捕捉列表和函数体必须写，但是内容可以为空。

lambda表达式的最简形式为：

[]{}

该lambda不能做任何事情。

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。

说明：

• 父作用域指包含lambda函数的语句块，而且只会捕捉lambda函数前面的父作用域中的变量。
• &var不能表示取地址，这里是捕捉，并不是传参，捕捉中就不存在取地址这一语法。
• 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，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重复就会报错。

• 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。

将lambda表达式对象赋值给func1，这里暂时使用auto推演类型。

• 省略了参数列表和返回值类型，函数体中使用的是父域中的变量a和b。
• 调用lambda时不用传参。

可以看到，lambda执行的逻辑是a+b。

• 省略返回值类型，且函数体中没有返回值
• 函数体中使用的是父域中b的引用。

可以看到，变量b在lambda中被改变了。

• 完整的lambda表达式，省略了mutable。
• 传值捕捉父域中的所有值，其中变量b是传引用捕捉。
• 写明返回值类型是int。

可以看到，lambda表达式参数传10以后，函数体进行了运算。

• 传值捕捉x，使用了mutable，否则在函数体中的捕捉到的x不能被改变。
• 父域中的x没有被改变，传值捕捉相当于是给形参传值，是一种拷贝，但是默认情况下拷贝的值是const类型，所以需要mutable来改变属性。

可以看到，最终返回的值是函数体中的运算结果。

从上面的例子中也可以看出，lambda表达式本质上可以理解为匿名函数对象，它是一个可调用对象。

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。

使用函数对象和lambda两种方式进行利率计算，执行的函数体内容相同。

• 从使用方式上来看，函数对象和lambda表达式完全一样，如上图中r1和r2所示。
• rate是函数对象的成员变量，通过构造函数初始化，lambda通过捕获列表来捕获该变量。

调试起来后，查看汇编代码，如上图所示是调用函数对象部分的汇编代码。

• 创建函数对象时，调用了Rate类域中的构造函数。
• 调用函数对象时，调用了Rate类域中的operator()成员函数。

上图所示是lambda表达式部分的汇编代码。

• 创建lambda表达式时，也是调用了某个类中的构造函数。

该类不像函数对象那样明确，而是有很长一串，如上图所示的lambda_0d841c589991fabbf3e571d463f613ab。

• 调用lambda表达式时，调用的是该类中的operator()成员函数。

函数对象和lambda在汇编代码上是一样的，只是类不同而已。函数对象的类名是我们自己定义的。

• lambda的类名是编译器自己生成的。

编译器在遇到lambda表达式的时候，会执行一个算法，生成长串数字，而且几乎每次生成的数字都不同，也就意味着每次创建的类名都不同。

• lambda表达式的类型只有编译器自己知道，用户是无法知道的。
• 所以要通过auto来推演它的类型，才能接收这个匿名的函数对象。

lambda表达式和函数对象其实是一回事，只是lambda表达式的类是由编译器自动生成的。

此时大家应该就理解了为什么说lambda其实就是一个匿名的函数对象了吧。

注意：lambda表达式相互之间不可以赋值，因为编译器生成的类不一样，也就意味着不是一个类型。

可变参数模板

template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	//.......
}

• Args：是一个模板参数包，在模板中必须以…Args表面它是一个模板参数包。
• args：是一个形参参数包，它的类型是Args…表面它是一个参数包。

• 参数包：可以包含0~N个类型的参数。

在使用可变参数模板的时候，可以传入任意个类型的数据，编译器会将所有类型打包。

可变参数模板的难点就是如果展开参数包，从而使用里面的每个模板参数。

展开参数包

递归函数方式展开参数包：

先直接看结果，调用同一个函数模板，传入不同个数的参数，函数模板都能将这些变化的参数打印出来。

以调用ShowList(1, 1, ‘A’, “sort”);为例解释展开参数包的过程。

• 传递实参(1, 1, ‘A’, “sort”)，ShowList接收参数。

• 1 → T val
• (1, ‘A’, “sort”) → Args… args

打印val值，剩下的参数以参数包的形式继续传给ShowList。

• 传递实参(1, ‘A’， “sort”)，ShowList接收参数。

• 1 → T val
• (‘A’, “sort”) → Args… args

打印val值，剩下的参数继续以参数包的形式传给ShowList。

• 传递实参(‘A’, “sort”)，ShowList接收参数。

• ‘A’ → T val
• (“sort”) → Args… args

打印val值，剩下的参数继续以参数包的形式传给ShowList。

• 传递实参(“sort”)，ShowList接收参数。

• “sort” → T val
• 此时参数包中没有参数了，调用无形参的ShowList()。

打印val值，再调用不需要接收形参的ShowList()，打印换行，到此参数包的展开就完毕了。

这种方式很像递归，在函数模板中调用函数模板，通过模板参数中的第一个模板参数一个个从参数包中拿参数。不需要的形参的函数就相当于一个结束条件。

逗号表达式展开参数包：

先上代码，后面再解释为什么这样。

同样将参数包挨个展开了。

• 逗号表达式的结果是最右边的值。

• 调用ShowList的时候，传入了四个参数。
• 将参数包放在数组中，并且调用打印函数PrintArg。

{(PrintArg(args), 0)...};

展开成为：

{(PrintArg(arg1), 0), (PrintArg(arg2), 0), (PrintArg(arg3), 0), (PrintArg(arg4), 0)};

由于使用的是逗号表达式，所以(PrintArg(arg1), 0)会先调用PrintArg(arg1)，最终返回最右边的值，也就是0。

参数包中的每个参数都执行这样的逻辑，最终返回的都是0，而这由0组成的列表又初始化了数组arr。

所以我们可以在调试窗口中可以看到数组中的值是0。

在这里，数组的目的仅仅是为了在构造数组的过程中展开参数包，它起到一个辅助作用。

采用上图所示方式也可以展开参数包。

• 在ShowList中的数组中多次调用PrintArg函数，每次调用后返回值是0。
• 多个0形参的列表初始化数组。

这种方式中，看起来比逗号表达式好理解，数组同样仅起辅助作用。

STL中emplace相关接口

emplace的作用和insert类似。

emplace_back的作用和push_back相似。

• C++11提供了emplace相关的系列接口，上图是以vector为例，其他STL容器也有emplace系列的相关接口。

emplace接口也是模板函数，它既是一个万能引用模板也是一个可变参数模板，可以称为万能引用可变参数模板。

• 无论插入的数据是左值还是右值，无论是多少个，都可插入。

• 对于内置类型，push_back和emplace_back没有任何区别。
• 而且也不可以一次性插入多个内置类型的值。

只有对容器实例化后，并且存放多个值时，才能使用empalce_back一次性插入。如上图所示。

emplace相关接口的优势：

将上篇文章C++11——新特性 | 右值引用 | 完美转发中的string做改造。

• 拷贝构造改用传统写法，并且在用字符串的构造的构造函数中打印提示信息。

使用push_back插入不同类型的值。

• 插入左值：调用拷贝构造函数，发生了深拷贝。
• 插入右值(匿名键值对)：调用构造函数和移动构造函数。
• 插入右值(匿名initializer_lis对象)：调用构造函数和移动构造函数。

其中调用构造函数都是在初始化"sort"时候调用的。插入左值编译器不敢进行资源转移，所以在new一个新节点的时候进行深拷贝，而插入右值时在new新节点时直接进行了资源转移。

使用emplace_back插入不同类型的值。

• 插入左值：调用拷贝构造函数，发生了深拷贝。
• 插入右值(匿名键值对)：仅调用构造函数，相比于push_back，少调用了移动构造函数。
• 插入多个值(可变参数)：仅调用构造函数。

对比发现：

• 插入左值时，emplace_back和push_back没有区别。

因为左值无论是编译器还是emplace_back都是不敢进行优化的，只能老老实实进行深拷贝，以防影响到原本的左值。

• 插入右值(匿名键值对)时，emplace_back仅调用了构造函数。

在插入的过程中，匿名对象一直存在，没有被转移资源，知道链表在new一个新节点的时候，才用右值对象中的数据来初始化节点，其中string调用的是普通构造函数，是用右值中的字符串来初始化的。

• 插入多个值(可变参数)时，emplace_back仅调用了构造函数。

和插入右值一样，只有在new一个新节点的时候，多个插入的值才被用来初始化，所以也是只调用了普通构造函数。

• 只有在插入自定义类型的右值时，emplace_back的效率才比push_back高。
• emplace_back比push_back少调用了一个移动构造函数。

我们知道，移动构造是将右值的资源进行转移，也是非常高效的，代价非常小。

emplace系列接口在存在移动构造的情况下，并不能比push_back高效很多，但还是高一点的。

将string中的移动构造函数屏蔽后。

使用push_back插入左值和右值。

• 此时，无论是插入右值还是左值，调用的都是拷贝构造函数，进行了深拷贝。

使用emplace_back插入左值和右值。

• 对于左值，仍然需要深拷贝。
• 对于右值，则仅调用了构造函数，不用进行拷贝构造而发生深拷贝。

emplace_back相比于push_back少调用了拷贝构造，没有进行深拷贝，大大提高了效率，降低了系统开销。

对于不存在移动构造的情况下，emplace相关接口比push_back高效很多。

包装器

function

• function包装器：也叫作适配器。

但是它和适配器又不一样，在模拟实现栈和队列的时候就是使用的适配器模式，适配器是在已有结构的基础上进行改造，如将正向迭代器改成反向迭代器。

而function包装器仅仅是进行包装，而不进行改造。它是一个类模板：

template <class Ret, class ...Args>
class function<Ret(Args...)>;

• 模板参数：Ret，表示返回值类型，…Args是参数包，表示可接收的形参。
• class function有点像模板特化的味道，Ret(Args…)其实就是函数去掉函数名，如int(char ch, int x)这样。

可以看出，function类包装的是有返回值和形参的可调用对象：

• 函数指针
• 仿函数对象
• lambda表达式

在使用function包装器的时候，必须包头文件：

#include 

包装函数指针：

实现一个函数func，进行两个数相加，返回值是int类型，两个形参也是int类型。

• 在function实例化时使用，表示包装的可调用对象返回值和形参都是int类型。

• function实例化对象时，可以使用拷贝构造方式初始化。
• 也可以创建对象后再赋值。

包装过后，函数指针func就被包装成了f1，调用f1就可以执行函数func的逻辑，如上图结果所示。

包装仿函数对象：

实现一个仿函数Functor，其中operator()的返回值是int，两个形参也是int。

• 包装仿函数对象时，可以使用仿函数对象的左值初始化也可以使用右值初始化。
• 和包装函数指针一样，可以使用调用拷贝构造的方式初始化，也可以使用赋值的方式初始化。

包装过后，仿函数对象就成了f2了，调用f2就可以执行仿函数对象的逻辑，如上图运行结果所示。

但是不能使用上图红色框中的方式来初始化function对象，即使是左值也不行。

• 根据这里的报错可以得出看到，编译器在这里将Functor识别成了一个指针，并不是仿函数对象。

本喵觉得这里是VS2019的编译器的BUG，按道理是可以的，有兴趣的小伙伴可以试试其他编译器。

包装lambda表达式：

• 包装lambda表达式时，lambda可以是匿名对象，也可以是左值。
• 可以使用拷贝构造的方式初始化，也可以赋值。

包装过后，lambda表达式就成f3了，调用f3就可以执行仿函数对象的逻辑，如上图运行结果所示。

包装静态类成员函数：

• 静态成员函数没有this指针，和普通函数的区别在于它处于某个类的类域中。

• 类名::静态成员函数名就是一个函数指针，所以可以之间包装。
• 对静态成员函数名的取地址符合可加可不加，建议加上。

对静态类成员函数包装后就成了f4了，调用f4执行的就是静态成员函数的逻辑，调用结果如上图所示。

包装类普通成员函数：

• 普通成员函数的调用是需要this指针的，而且this指针是不能显式传递的，只能由编译器来完成传递。

• &类::成函数名拿到了成员函数的函数指针，这里必须有取地址符号。
• 包装器实例化时，除了成员函数的两个形参类型外，还需要有当前类的类型。
• 在调用包装器时，除了传入的两个double类型的实参外，还要有当前类对象。

切记：实例化时需要的是当前类的类型，而不是当前类型的指针(this指针不会显式传递)，调用包装器时，还需要传入当前类的对象。

对普通类成员函数包装后就成了f5了，调用f5执行的就是普通类成员函数的逻辑，如上图调用结果所示。

function作用之一：统一类型。

函数指针，仿函数对象，lambda表达式，静态类成员函数，普通类成员函数，这些可调用对象是完全不相同的类型，但是使用function包装器包装以后，就都变成了function类型了。

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创建一个函数模板，在模板函数中创建一个静态变量，打印它的值和地址，并且每打印一次后对其进行加加。通过实例化后的可调用对象执行相应的逻辑。

• 使用函数f1实例化函数模板，并且给定的实参是1.5。
• 使用仿函数对象实例化函数模板，给定的实参是1.5。
• 使用lambda表达式实例化函数模板，给定的实参是1.5。

当然还可以用静态成员函数以及非静态成员函数实例化函数模板，有兴趣的小伙伴自己尝试。

• 运行结果中有三个不同的静态变量(它们的地址不相同)，而且值都是0。
• 说明实例化出了3个函数。

模板实例化后推演为具体类型的工作是由编译器完成的，这其实有很大的系统开销，只是我们没有感觉罢了。

使用包装器将上面用来实例化函数模板的三种可调用对象进行包装，此时就都变成了function类型了，只有一种类型。

再用这种function类型去实例化函数模板，编译器推演后只实例化出一个函数。

• 静态变量的地址都相同，说明它们是同一个静态变量。
• 静态变量从0变化到2，说明这个函数被调用了3次。

经过function的包装后，减少了实例化的系统开销。

function作用之二：减少因多次实例化导致的系统开销。

作用一和二的本质都是通过统一类型完成的，在需要将多种可调用对象统一类型的场景时，就使用function包装器。

bind

• bind：也叫做绑定，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，生成一个新的可调用对象来“适应”原对象的参数列表。

• 这是一个万能引用模板，除了可调用对象模板参数外，其他参数是可变参数，也就是一个参数包。

bind(可调用对象, 占位1, 占位2.....);

C++11提供了一个命名空间placeholders，该空间中的_1, _2, _3…表示占位符。

• bind可调用对象时，并没有传参数，但是要根据可调用对象的形参个数先占好位。

上面代码表示：绑定函数plus参数分别由调用func1的第一、二个参数指定。

• 可调用对象经过bind绑定以后，就称为绑定函数。

bind的作用主要有两个：调整可调用对象的参数顺序，绑定固定参数。

调整参数的顺序：

创建一个作减法的仿函数，将仿函数对象绑定后再使用function包装。

• func2和func3绑定的都是仿函数对象Sub()。

• func2绑定仿函数对象时，占位的顺序是placeholders::_1, placeholders::_2。

在调用func2(1, 2)的时候，1→placeholders::_1(形参int a)，2→placeholders::_2(形参int b)，所以执行a-b时就是1-2=-1。

• func3绑定仿函数对象时，占位的顺序是placeholders::_2, placeholders::_1。

在调用func3(1, 2)的时候，1→placeholders::_2(形参int b)，2→placeholders::_1(形参int a)，所以执行a-b时就是2-1=1。

根据这个道理，我们直接改变在使用sort()时的less仿函数比较方式。

只是在绑定仿函数对象时，调整了参数的顺序，就可以让less仿函数实现greater的功能。

绑定固定参数：

在使用function统一可调用对象类型的时候，那些可调用对象中，只有类的普通成员函数包装后的类型和其他不一样，因为在包装时候需要多一个当前类的类型，调用时还需多一个当前类的对象。

• 将类普通成员函数绑定时，将需要多的那个当前类对象的参数绑定。

如上图绿色框中所示，意味着将Sub()匿名对象绑定了，也就是编译器自动将这个参数在调用的时候传给类成员函数了。

我们在调用时只需要传递后两个参数即可。可以看到，两种方式的运行结果是一样的。

总结

lambda表达式是一个经常使用的东西，使用起来也很方便，非常时候临时使用一下。至于可变参数模板，只需要了解有这个东西就可以，知道emplace相关接口是可变参数模板，一次可以传入多个参数，我们自己几乎不会写这样的模板。function的时候也非常普遍，尤其在网络部分，至于bind只需要了解即可。