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 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;
}
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
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
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 
它们的地址相同说明只实例化了一份。
functional使用方法
#include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 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;
}
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：
- 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
- 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 
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;
- 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 运行结果
创建了三个线程，每个线程执行不同的功能。
- 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。
- 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 
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 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
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。
将上述代码用原子操作修改
#include 运行结果
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 运行结果
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：
- 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)
- 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。
- 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。
- 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 