【C++11】解锁C++11新纪元：深入探索Lambda表达式的奥秘

Eternity._

发布于 2024-08-05 09:14:15

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前言：在C++编程语言的悠久历史中，每一次标准的更新都带来了革命性的变化，推动了编程范式和性能优化的新边界。C++11标准，作为这一漫长演进过程中的一个重要里程碑，不仅巩固了C++作为高性能系统级编程语言的地位，还引入了众多现代编程特性，极大地丰富了C++的表达力和易用性。其中，lambda表达式和std::function无疑是这些新特性中最引人注目且影响深远的两个

Lambda表达式，作为C++11中引入的匿名函数对象，以其简洁的语法和强大的功能，彻底改变了C++中编写回调函数和临时函数的方式。它们允许开发者在需要函数对象的地方直接定义并使用函数逻辑，无需显式定义和命名函数或函数对象类。这不仅简化了代码，提高了可读性，还使得代码更加灵活和易于维护
而与lambda表达式相辅相成的std::function，则是一个通用的函数封装器，它提供了一种类型安全的方式来存储、复制和调用任何可调用对象，包括函数指针、函数对象、lambda表达式以及绑定表达式等。std::function的引入，使得C++的函数式编程风格得以更加流畅地实现，同时也为C++的面向对象编程和泛型编程提供了强大的支持

本篇旨在深入探讨C++11中的lambda表达式和std::function，通过理论讲解、示例演示和实战应用，帮助读者全面理解并掌握这两个重要特性

让我们一起踏上学习的旅程，探索它带来的无尽可能！

📒1. 可变参数模板

可变参数模板是C++11中引入的一种非常有用的语言特性，它允许函数或类模板接受可变数量的参数。这一特性极大地增加了模板的灵活性和扩展性，使得开发者可以定义更加通用和灵活的函数或类模板

C++11的新特性可变参数模板能够让您创建可以接受可变参数的函数模板和类模板，相比C++98/03，类模版和函数模版中只能含固定数量的模版参数，可变模版参数无疑是一个巨大的改进。然而由于可变模版参数比较抽象，使用起来需要一定的技巧，所以这块还是比较晦涩的

可变参数的函数模板：

// Args是一个模板参数包，args是一个函数形参参数包
// 声明一个参数包Args...args，这个参数包中可以包含0到任意个模板参数。
template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{}

注意：带省略号的参数称为“参数包”，它里面包含了0到N（N>=0）个模版参数

我们无法直接获取参数包args中的每个参数的，只能通过展开参数包的方式来获取参数包中的每个参数，这是使用可变模版参数的一个主要特点，也是最大的难点

递归函数方式展开参数包：

void _ShowList()
{
	cout << endl;
}

template <class T, class ...Args>
void _ShowList(const T& value, Args... args)
{
	cout << value << " ";
	_ShowList(args...);
}

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

int main()
{
	ShowList(1);
	ShowList(1,2);
	ShowList(1,2,3);
	return 0;
}

获取参数包的大小：

void ShowList(Args... args)
{
	// 这里有些特殊，我们需要将省略号写在sizeof后面
	cout << sizeof...(args) << endl;
}

📚2. lambda表达式

在C++中，lambda表达式是一种匿名函数对象，它可以捕获其所在作用域中的变量，并可以在需要函数对象的任何地方使用。Lambda表达式通常用于简化函数对象的编写，特别是在使用标准库算法（如std::sort、std::find_if等）时

在C++11之前对一个数据集合中的元素进行排序

std::sort

#include <algorithm>

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;
}

仿函数

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 = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,
	3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());

	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		cout << v[i]._name << ":" << v[i]._price << ":" << v[i]._evaluate << endl;
	}
}

随着C++语法的发展，人们开始觉得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

对一个数据集合中的元素进行排序

int main()
{
	vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,
	3 }, { "菠萝", 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; });


	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		cout << v[i]._name << ":" << v[i]._price << ":" << v[i]._evaluate << endl;
	}
}

注意：lambda表达式实际是一个匿名函数

int main()
{
	auto f1 = []() {};
	cout << typeid(f1).name() << endl;
	return 0;
}

🌙lambda表达式语法

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

表达式各部分说明

部位	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()
{
	// 省略了返回值类型，无返回值类型
	auto f2 = [](int* x, int* y)
	{
		cout << &x << " " << &y << endl;
		int tmp = *x;
		*x = *y;
		*y = tmp;
	};
}

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

符号	意义
[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

int main()
{
	int a = 7; int b = 9;
	// 不加mutable会报错，因为默认情况Lambda是const函数
	auto f3 = [&a, &b]()mutable
	{
		cout << &a << " " << &b << endl;
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
}

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]：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

在使用lambda时，其实就是相当于调用了一个函数

⭐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 Pxt
{
public:
	Pxt(double money) 
		: _money(money)
	{}

	double operator()(int day)
	{
		return _money * day;
	}
private:
	double _money;
};

int main()
{
	double money = 100;
	Pxt p1(money);
	cout << p1(10) << endl;

	auto p2 = [=](double money, int day)->double {return money * day; };
	cout << p2(100, 10) << endl;
	
	return 0;
}

函数对象将money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

📝3. 包装器

🎩function包装器

function包装器也叫作适配器。C++中的function本质是一个类模板，也是一个包装器

template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{
	return f(x);
}
double f(double i)
{
	return 1;
}
struct Functor
{
	double operator()(double d)
	{
		return 1;
	}
};

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; }, 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 包装器可以很好的解决上面的问题

template <class Ret, class... Args>
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

lambda表达式

function<int(int, int)> func1 = [](const int a, const int b) { return a+b; };

🎈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);

示例：

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
	function<int(int, int)> func1 = bind(Plus, placeholders::_1,
		placeholders::_2);

	//func2的类型为 function<void(int, int, int)> 与func1类型一样
	//表示绑定函数 plus 的第一，二为： 1， 2
	auto func2 = bind(Plus, 1, 2);
	cout << func1(1, 2) << endl;
	cout << func2() << endl;
	Sub s;
	// 绑定成员函数
	function<int(int, int)> func3 = bind(&Sub::sub, s,
		placeholders::_1, placeholders::_2);
	// 参数调换顺序
	function<int(int, int)> func4 = bind(&Sub::sub, s,
		placeholders::_2, placeholders::_1);
	cout << func3(1, 2) << endl;
	cout << func4(1, 2) << endl;
	return 0;
}

📖4. 总结

在深入探讨C++11引入的lambda表达式与包装器（也称为闭包）的旅程即将结束时，我们不禁要为这一强大特性的加入而赞叹。Lambda表达式不仅极大地丰富了C++的表达能力，还让编程变得更加灵活、直观和高效。它们如同编程语言中的魔法，允许开发者在需要函数或函数对象的地方，以极其简洁的方式定义并立即使用匿名函数

通过本文的学习，我们见证了lambda表达式如何以其独特的语法糖——[]捕获列表、()参数列表、mutable关键字（可选）、->返回类型（可选）以及函数体{}，构建出功能强大的代码块。我们学会了如何利用捕获列表来控制lambda表达式对外部变量的访问权限，包括值捕获、引用捕获以及它们之间的微妙差异。此外，我们还探讨了lambda表达式的类型——std::function和模板参数自动推导（如auto）如何进一步促进了lambda表达式的使用，使得它们可以轻松地与标准库中的算法和其他函数模板协同工作

C++11中的lambda表达式和包装器是C++发展史上的一个重要里程碑。它们不仅为C++语言注入了新的活力，也为广大开发者提供了更加高效、灵活的编程手段。随着C++的不断演进和发展，我们有理由相信，lambda表达式将会在更多的场景中得到应用

希望本文能够为你提供有益的参考和启示，让我们一起在编程的道路上不断前行！ 谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！

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原始发表：2024-08-02，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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