C++11常用知识点(下)

文章目录

  • lambda表达式
    • lambda表达式
    • lambda表达式语法
    • 函数对象与lambda表达式
  • 包装器
    • function包装器
    • bind
  • 线程库
    • thread类的简单介绍
    • 线程函数参数
    • 原子性操作库(atomic)
    • lock_guard与unique_lock
      • mutex的种类
      • lock_guard
      • unique_lock
    • 两个线程交替打印,一个打印奇数,一个打印偶数

lambda表达式

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 
#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;
	double _price;
};
struct Compare
{
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
	{
		return gl._price <= gr._price;
	}
};
int main()
{
	Goods gds[] = { { "苹果", 2.1 }, { "香蕉", 3 }, { "橙子", 2.2 }, { "菠萝",1.5 } };
	sort(gds, gds + sizeof(gds) / sizeof(gds[0]), Compare());
	return 0;
}

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

struct Goods
{
	string _name;
	double _price;
};
int main()
{
	Goods gds[] = { { "苹果", 2.1 }, { "相交", 3 }, { "橙子", 2.2 }, { "菠萝",1.5 } };
	sort(gds, gds + sizeof(gds) / sizeof(gds[0]), [](const Goods& l, const Goods& r)
		->bool
	{
		return l._price < r._price;// 按价格排序
	});
	return 0;
}

上述代码就是C++11中的lambda表达式的简单使用,可以看出lamb表达式实际是一个匿名函数。

lambda表达式语法

lambda表达式书写格式:[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { statement }

(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,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()
{
	// 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 + b; };

	// 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;
}

C++11常用知识点(下)_第1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。

(2)捕获列表说明

捕捉列表描述了上下文中哪些数据可以被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(成员函数中包括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(成员函数中包括this)

注意:
a. 父作用域指包含lambda函数的语句块
b. 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 c. 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]:这里=已经以值传递方式捕捉了所有变量,捕捉a重复,此时会报错。
c. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。
d. 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
e. lambda表达式之间不能相互赋值,即使类型相同

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);
	// lamber
	auto r2 = [=](double monty, int year)->double{return monty*rate*year;};
	r2(10000, 2);
	return 0;
}

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()。

汇编代码如下
C++11常用知识点(下)_第2张图片

包装器

function包装器

可调用的类型有函数指针,仿函数对象,lamber表达式。如此丰富的类型,可能会导致模板的效率低下!C++11中又提供了包装器。

先看如下代码

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
	cout << useF(f, 11.11) << endl;
	// 函数对象
	cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;
	// lamber表达式
	cout << useF([](double d)->double{ return d / 4; }, 11.11) << endl;
	return 0;
}

运行结果如下
C++11常用知识点(下)_第3张图片
它们的地址都不同,说明模板实例化了三份

我们用一下包装器

#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
	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;
	// lamber表达式
	std::function<double(double)> func3 = [](double d)->double{ return d / 4; };
	cout << useF(func3, 11.11) << endl;
	return 0;
}

C++11常用知识点(下)_第4张图片
它们的地址相同说明只实例化了一份。

functional使用方法

#include // 需要的头文件
// 类模板原型如下
template <class T> function; // undefined
template <class Ret, class... Args>// 模板
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

bind

std::bind函数定义在头文件中,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);
// with return type (2)
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。

使用实例

#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
	//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;
	cout << func4(1, 2) << endl;
	return 0;
}

C++11常用知识点(下)_第5张图片

线程库

thread类的简单介绍

在C++11之前,涉及到多线程问题,都是和平台相关的,比如windows和linux下各有自己的接口,这使得代码的可移植性比较差。C++11中最重要的特性就是对线程进行支持了,使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库,而且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的线程,必须包含< thread >头文件。

函数名 功能
thread() 构造一个线程对象,没有关联任何线程函数,即没有启动任何线程
thread(fn,args1, args2,…) 构造一个线程对象,并关联线程函数fn,args1,args2,…为线程函数的参数
get_id() 获取线程id
jionable() 线程是否还在执行,joinable代表的是一个正在执行中的线程
jion() 该函数调用后会阻塞住线程,当该线程结束后,主线程继续执行
detach() 在创建线程对象后马上调用,用于把被创建线程与线程对象分离开,分离的线程变为后台线程,创建的线程的"死活"就与主线程无关

注意:

  1. 线程是操作系统中的一个概念,线程对象可以关联一个线程,用来控制线程以及获取线程的状态
  2. 当创建一个线程对象后,没有提供线程函数,该对象实际没有对应任何线程
#include 
int main()
{
	std::thread t1;
	cout << t1.get_id() << endl;
	return 0;
}

C++11常用知识点(下)_第6张图片
get_id()的返回值类型为id类型,id类型实际为std::thread命名空间下封装的一个类,该类中包含了一个结构体:

// vs下查看
typedef struct
{ /* thread identifier for Win32 */
	void *_Hnd; /* Win32 HANDLE */
	unsigned int _Id;
} _Thrd_imp_t;
  1. 当创建一个线程对象后,并且给线程关联线程函数,该线程就被启动,与主线程一起运行。线程函数一般情况下可按照以下三种方式提供:
    (1)函数指针
    (2)lambda表达式
    (3)函数对象

使用示例

#include 
using namespace std;
#include 
void ThreadFunc(int a)
{
	cout << "Thread1" << a << endl;
}
class TF
{
public:
	void operator()()
	{
		cout << "Thread3" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 线程函数为函数指针
	thread t1(ThreadFunc, 10);
	// 线程函数为lambda表达式
	thread t2([]{cout << "Thread2" << endl; });
	// 线程函数为函数对象
	TF tf;
	thread t3(tf);
	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	cout << "Main thread!" << endl;
	return 0;
}

运行结果
创建了三个线程,每个线程执行不同的功能。
C++11常用知识点(下)_第7张图片

  1. thread类是防拷贝的,不允许拷贝构造以及赋值,但是可以移动构造和移动赋值,即将一个线程对象关联线程的状态转移给其他线程对象,转移期间不影响线程的执行。
  2. 可以通过jionable()函数判断线程是否是有效的,如果是以下任意情况,则线程无效
    1)采用无参构造函数构造的线程对象
    2)线程对象的状态已经转移给其他线程对象
    3)线程已经调用jion或者detach结束

线程函数参数

线程函数的参数是以值拷贝的方式拷贝到线程栈空间中的,因此:即使线程参数为引用类型,在线程中修改后也不能修改外部实参,因为其实际引用的是线程栈中的拷贝,而不是外部实参。

举例:

#include 
void ThreadFunc1(int& x)
{
	x += 10;
}
void ThreadFunc2(int* x)
{
	*x += 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	// 在线程函数中对a修改,不会影响外部实参,因为:线程函数参数虽然是引用方式,但其实际引用的是线程栈中的拷贝
	thread t1(ThreadFunc1, a);
	t1.join();
	cout << a << endl;

	// 如果想要通过形参改变外部实参时,必须借助std::ref()函数
	thread t2(ThreadFunc1, std::ref(a));
	t2.join();
	cout << a << endl;

	// 地址的拷贝
	thread t3(ThreadFunc2, &a);
	t3.join();
	cout << a << endl;
	return 0;
}

C++11常用知识点(下)_第8张图片
注意: 如果是类成员函数作为线程参数时,必须将this作为线程函数参数。

原子性操作库(atomic)

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的,那么没问题,因为只读操作不会影响到数据,更不会涉及对数据的修改,所以所有线程都会获得同样的数据。但是,当一个或多个线程要修改共享数据时,就会产生很多潜在的麻烦。

例:

#include 
using namespace std;
#include 
unsigned long sum = 0L;
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++;
}
int main()
{
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

运行结果

原计划下结果为20000000,因为共享数据,多个线程修改数据时造成误差
C++11常用知识点(下)_第9张图片
在C++98中对共享修改的数据可以加锁保护。

void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
	{
		m.lock();
		sum++;
		m.unlock();
	}
}

虽然加锁可以解决,但是加锁有一个缺陷就是:只要一个线程在对sum++时,其他线程就会被阻塞,会影响程序运行的效率,而且锁如果控制不好,还容易造成死锁。

因此C++11中引入了原子操作。所谓原子操作:即不可被中断的一个或一系列操作,C++11引入的原子操作类型,使得线程间数据的同步变得非常高效。

C++11常用知识点(下)_第10张图片将上述代码用原子操作修改

#include 
using namespace std;
#include 
#include // 需要添加头文件
atomic_long sum{ 0 };// 原子操作类型
void fun(size_t num)
{
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++; // 原子操作
}
int main()
{
	cout << "Before joining, sum = " << sum << endl;
	thread t1(fun, 1000000);
	thread t2(fun, 1000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining, sum = " << sum << endl;
	return 0;
}

运行结果
C++11常用知识点(下)_第11张图片

在C++11中,程序员不需要对原子类型变量进行加锁解锁操作,线程能够对原子类型变量互斥的访问。

更为普遍的,程序员可以使用atomic类模板,定义出需要的任意原子类型。

atmoic<T> t; // 声明一个类型为T的原子类型变量t

注意: 原子类型通常属于"资源型"数据,多个线程只能访问单个原子类型的拷贝,因此在C++11中,原子类型只能从其模板参数中进行构造,不允许原子类型进行拷贝构造、移动构造以及operator=等,为了防止意外,标准库已经将atmoic模板类中的拷贝构造、移动构造、赋值运算符重载默认删除掉了。

lock_guard与unique_lock

在多线程环境下,如果想要保证某个变量的安全性,只要将其设置成对应的原子类型即可,即高效又不容易出现死锁问题。但是有些情况下,我们可能需要保证一段代码的安全性,那么就只能通过锁的方式来进行控制。

比如:一个线程对变量number进行加一100次,另外一个减一100次,每次操作加一或者减一之后,输出number的结果,要求:number最后的值为0。

#include 
#include 
int number = 0;
mutex g_lock;
int ThreadProc1()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		g_lock.lock();
		++number;
		cout << "thread 1 :" << number << endl;
		g_lock.unlock();
	}
	return 0;
}
int ThreadProc2()
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		g_lock.lock();
		--number;
		cout << "thread 2 :" << number << endl;
		g_lock.unlock();
	}
	return 0;
}
int main()
{
	thread t1(ThreadProc1);
	thread t2(ThreadProc2);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "number:" << number << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果
C++11常用知识点(下)_第12张图片
上述代码的缺陷:锁控制不好时,可能会造成死锁,最常见的比如在锁中间代码返回,或者在锁的范围内抛异常。因此:C++11采用RAII的方式对锁进行了封装,即lock_guard和unique_lock。

mutex的种类

在C++11中,Mutex总共包了四个互斥量的种类:

  1. std::mutex
    C++11提供的最基本的互斥量,该类的对象之间不能拷贝,也不能进行移动。mutex最常用的三个函数
函数名 函数功能
lock() 上锁:锁住互斥量
unlock() 解锁:释放对互斥量的所有权
try_lock() 尝试锁住互斥量,如果互斥量被其他线程占有,则当前线程也不会被阻塞

线程函数调用lock()时,可能会发生以下三种情况:

  • 如果该互斥量当前没有被锁住,则调用线程将该互斥量锁住,直到调用 unlock之前,该线程一直拥有该锁
  • 如果当前互斥量被其他线程锁住,则当前的调用线程被阻塞住
  • 如果当前互斥量被当前调用线程锁住,则会产生死锁(deadlock)

线程函数调用try_lock()时,可能会发生以下三种情况:

  • 如果当前互斥量没有被其他线程占有,则该线程锁住互斥量,直到该线程调用 unlock释放互斥量
  • 如果当前互斥量被其他线程锁住,则当前调用线程返回 false,而并不会被阻塞掉
  • 如果当前互斥量被当前调用线程锁住,则会产生死锁(deadlock)
  1. std::recursive_mutex

其允许同一个线程对互斥量多次上锁(即递归上锁),来获得对互斥量对象的多层所有权,释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock(),除此之外,std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

  1. std::timed_mutex

比 std::mutex 多了两个成员函数,try_lock_for(),try_lock_until() 。

  • try_lock_for()

接受一个时间范围,表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住(与std::mutex 的 try_lock() 不同,try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回false),如果在此期间其他线程释放了锁,则该线程可以获得对互斥量的锁,如果超时(即在指定时间内还是没有获得锁),则返回false。

  • try_lock_until()

接受一个时间点作为参数,在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住,如果在此期间其他线程释放了锁,则该线程可以获得对互斥量的锁,如果超时(即在指定时间内还是没有获得锁),则返回 false。

  1. std::recursive_timed_mutex

lock_guard

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下:

template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
	// 在构造lock_gard时,_Mtx还没有被上锁
	explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{
		_MyMutex.lock();
	}
	// 在构造lock_gard时,_Mtx已经被上锁,此处不需要再上锁
	lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
		: _MyMutex(_Mtx)
	{}
	~lock_guard() _NOEXCEPT
	{
		_MyMutex.unlock();
	}
	lock_guard(const lock_guard&) = delete;
	lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
	_Mutex& _MyMutex;
};

通过上述代码可以看到,lock_guard类模板主要是通过RAII的方式,对其管理的互斥量进行了封装,在需要加锁的地方,只需要用上述介绍的任意互斥体实例化一个lock_guard,调用构造函数成功上锁,出作用前,lock_guard对象要被销毁,调用析构函数自动解锁,可以有效避免死锁问题。

lock_guard的缺陷: 太单一,用户没有办法对该锁进行控制,因此C++11又提供了unique_lock。

unique_lock

与lock_gard类似,unique_lock类模板也是采用RAII的方式对锁进行了封装,并且也是以独占所有权的方式管理mutex对象的上锁和解锁操作,即其对象之间不能发生拷贝。在构造(或移动(move)赋值)时,unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数,新创建的unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。使用以上类型互斥量实例化unique_lock的对象时,自动调用构造函数上锁,unique_lock对象销毁时自动调用析构函数解锁,可以很方便的防止死锁问题。

与lock_guard不同的是,unique_lock更加的灵活,提供了更多的成员函数:

  • 上锁/解锁操作: lock、try_lock、try_lock_for、try_lock_until和unlock
  • 修改操作: 移动赋值、交换(swap:与另一个unique_lock对象互换所管理的互斥量所有权)、释放(release:返回它所管理的互斥量对象的指针,并释放所有权)
  • 获取属性: owns_lock(返回当前对象是否上了锁)、operator bool()(与owns_lock()的功能相同)、mutex(返回当前unique_lock所管理的互斥量的指针)

lock_guard和unique_lock

两个线程交替打印,一个打印奇数,一个打印偶数

#include 
#include 
#include 
void two_thread_print()
{
	std::mutex mtx;
	condition_variable c;
	int n = 100;
	bool flag = true;
	thread t1([&](){
		int i = 0;
		while (i < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			c.wait(lock, [&]()->bool{return flag; });
			cout << i << endl;
			flag = false;
			i += 2; // 偶数
			c.notify_one();
		}
	});
	thread t2([&](){
		int j = 1;
		while (j < n)
		{
			unique_lock<mutex> lock(mtx);
			c.wait(lock, [&]()->bool{return !flag; });
			cout << j << endl;
			j += 2; // 奇数
			flag = true;
			c.notify_one();
		}
	});
	t1.join();
	t2.join();
}
int main()
{
	two_thread_print();
	return 0;
}

C++11常用知识点(下)_第13张图片

你可能感兴趣的:(C++,c++)