C++11新特性⑤ | 仿函数与lambda表达式

目录

1、引言

2、仿函数

3、lambda表达式

3.1、lambda表达式的一般形式

3.2、返回类型说明

3.3、捕获列表的规则

3.4、可以捕获哪些变量

3.5、lambda表达式给编程带来的便利

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1、引言

       在C++中我们可以使用函数名、函数指针、仿函数去实现函数的调用。C++11引入了lambda表达式，又称匿名函数，给我们引入了一种新的函数调用方式，给我们编程带来了很大的便利。今天我们来讲讲仿函数和lambda表达式。

2、仿函数

       仿函数是一种特殊的类或结构体，不是C++11引入的，之前就有了。它重载了函数调用运算符operator()，并且可以像函数一样被调用，同时它也可以拥有自己的数据成员和成员函数。仿函数通常用于算法（如sort、find、transform等）和容器（如set、map、list等）中，以提供自定义的操作行为。在C++11中，可以使用lambda表达式实现简单的仿函数。

       下面是个类中重载 operator()的实例：

class MyFunctor
{
public:
    MyFunctor(int tmp) : round(tmp) {}
    int operator()(int tmp) { return tmp + round; }
private:
    int round;
};

int main()
{
    int round = 2;
    MyFunctor f(round); //调用构造函数
    cout << "result = " << f(1) << endl; // operator()(int tmp)

    return 0;
}

通过类对象去调用重载的operator()方法。 在C++里，我们通过在一个类中重载operator()运算符的方法，去使用一个函数对象而不是一个普通函数。

       再看一个比较数大小的实例：

class compare_class
{
    public:
    bool operator() (int A, int B) const{return A < B;}
};
 
// Declaration of C++ sorting function.
template<class ComparisonFunctor>
void sort_ints(int* begin_items, int num_items, ComparisonFunctor c);
 
int main()
{
    int items[]={4, 3, 1, 2};
    compare_class functor;
    sort_ints( items, sizeof(items)/sizeof(items[0]), functor);
}

3、lambda表达式

       lambda表达式，又称匿名函数，是一个可调用的代码单元，可以理解为一个未命名（匿名）的内联函数。与一般的函数类似，lambda表示式有一个返回类型、一个参数列表和一个函数体。但和函数不同的是，lambda表达式是直接定义在函数内部。

       lambda表达式的引入，给我们编程带来了很大的便利，可以大大简化我们的编码！

3.1、lambda表达式的一般形式

lambda表达式的一般形式如下：

[capture list]( parameter list ) -> return type { function body }

其中：

1）capture list（捕获列表），是一个本表达式所在函数的局部变量的列表；
2）parameter list（参数列表），是给本lambda表达式传入的参数列表；
3）return type（返回类型），是本lambda表达式的返回值类型（可省略）；
4）function body（函数体），是本lambda表达式的内部实现。

       对于普通函数，返回类型位于函数开始处，但lambda表达式因为其形式，返回类型不能放在开始处，必须使用尾置的方式来指定返回类型。我们可以忽略参数列表和返回值类型，但必须包含捕获列表和函数体，比如：

auto f = [] { return 20; };

3.2、返回类型说明

       直接在lambda表达式中指定返回类型，没什么问题。下面我们看看没指定返回类型时，将会发生什么。

       如果lambda表达式的函数体中只包含一个return语句，如果没指定lambda表达式的返回值，则编译时会根据return语句中的内容推导出本表达式的返回值类型，比如实现两个整型数据相加的lambda表达式：

[] ( int a, int b) { return a + b; }

本lambda中没有指定函数返回类型，根据表达式（a+b）可以推断出本lambda返回值类型为int。

       如果lambda表示式中不是只包含单一的return语句（多条语句），编译时编译器认定该lambda返回值类型为void。比如返回一个数绝对值的lambda如下：

[] ( int a ) { if ( a < 0) return -a; else return a; };

因为包含了多条语句，所以编译器认定该lambda返回void，编译时会报错！因为返回类型为void，却使用return返回了int类型，不一致了，所以报错！

3.3、捕获列表的规则

       捕获列表，涉及到访问所在函数哪些局部变量，以及访问变量的方式。访问变量的方式主要有以引用的方式访问，还是以值的方式访问。如果是将lambda要访问的变量在捕获列表中罗列出来，则是显示捕获；如果不罗列，就是隐式捕获。

       下面给出完整的捕获列表规则：

捕获类型	描述
[]	空捕获列表。lamda表达式内部不使用所在函数中的变量。只有捕获列表不为空才能使用所在函数中的变量。
[names]	names是一个逗号分割的名字列表，这些名字是lamda所在函数的局部变量的名称。默认情况下，捕获列表中的变量值被拷贝，变量前面可以添加&，加&则表示采用引用捕获方式。
[&]	隐式捕获列表，让编译器根据lamda内部的代码去推断使用了所在函数的哪些局部变量。采用引用捕获方式，lamda体中所使用的来自所在函数的变量都采用引用方式使用。
[=]	隐式捕获列表，让编译器根据lamda内部的代码去推断使用了所在函数的哪些局部变量。采用值捕获方式，lamda体中将拷贝所使用的来自所在函数的变量的值。
[&, identifier_list]	identifier_list（理解为不使用&引用捕获的特例）是逗号分割的列表，包含0个或多个来自所在函数的变量，这些变量采用值捕获，identifier_list列表中的名字前面不能加&。而除identifier_list列表中指明的变量之外的任何隐式捕获的变量都采用引用捕获方式。
[=, identifier_list]	identifier_listt（理解为不使用=值捕获的特例）是逗号分割的列表，包含0个或多个来自所在函数的变量，这些变量采用引用捕获，identifier_list列表中的名字前面必须使用&。而除identifier_list列表中指明的变量之外任何隐式捕获的变量都采用值捕获方式。

关于捕获列表的例子，如下：

int main()
{
    int a = 0, b = 1;
    auto f1 = []{ return a; };      // error, 没有捕获外部变量
    auto f2 = [=]{ return a; };     // ok, 值传递方式捕获所有外部变量
    auto f3 = [=]{ return a++; };   // error, a是以赋值方式捕获的，无法修改
    auto f4 = [=]() mutable { return a++; };   // ok, 加上mutable修饰符后，可以修改按值传递进来的拷贝
    auto f5 = [&]{ return a++; };              // ok, 引用传递方式捕获所有外部变量, 并对a执行自加运算
    auto f6 = [a]{ return a+b; };              // error, 没有捕获变量b
    auto f9 = [a,&b]{ return a+(b++); };       // ok, 捕获a, &b
    auto f8 = [=,&b]{ return a+(b++); };       // ok, 捕获所有外部变量，&b
    auto f9 = [&,&b]{ return a+(b++); };       // error, 捕获所有外部变量，不能使用&b，b是特例，和默认的引用捕获不一样，使用值捕获，所以不能加&
    auto f10 = [=,b]{ return a+(b++); };       // error, 捕获所有外部变量，不能使用b，b是特例，和默认的值引用不一样，使用引用捕获，前面必须加&
    return 0;
}

3.4、可以捕获哪些变量

       一般lambda表达式是放置在一个函数中的，即在函数中嵌入的，lambda函数实现体中可以访问其所在函数的局部变量。如果lambda表达式所在函数是一个类的成员函数，则lambda内部也可以访问当前函数所在的类的成员变量，这一点可能很多人不知道。比如：

class Test
{
public:
    int i = 0;   // 类的成员变量

    void func(int x, int y)
    {
        auto x1 = []{ return i; };          // error, 没有捕获外部变量
        auto x2 = [=]{ return i+x+y; };     // ok, 值传递方式捕获所有外部变量
        auto x3 = [=]{ return i+x+y; };     // ok, 引用传递方式捕获所有外部变量
        auto x4 = [this]{ return i; };      // ok, 捕获this指针
        auto x5 = [this]{ return i+x+y; };  // error, 没有捕获x, y
        auto x6 = [this, x, y]{ return i+x+y; };// ok, 捕获this指针, x, y
        auto x9 = [this]{ return i++; };        // ok, 捕获this指针, 并修改成员的值
    }
};

3.5、lambda表达式给编程带来的便利

       lambda表达式的引入，给我们编程带来了很大的便利，可以大大简化我的编码。比如我们在使用STL容器的find_if、count_if、sort等算法函数时，我们要传入条件函数或者比较函数，这些函数直接用lambda表达式去实现，要方便很多。
       在以前没有lambda表达式时，这些条件函数和比较函数，需要在函数外实现，要不定义成全局函数，要不定义成静态函数，甚至还要定义一些辅助的全部或者静态变量。比如有一个存放设备信息的结构体，然后有个存放设备信息的vector列表，给该列表简单的初始化一下：

// 设备信息结构体
typedef struct tagDeviceInfo
{
    char szDeviceId[64];   // 设备id
    char szDeviceName[64]; // 设备名称
    int nDevType;          // 设备类型

public:
    tagDeviceInfo(){ memset(this, 0, sizeof(tagDeviceInfo)); }
}TDeviceInfo;

// 设备管理类
class CDeviceManage
{
    CDeviceManage();
    ~CDeviceManage();

    void InitDeviceList();

private:
    vector<TDeviceInfo> m_vtDevList;
}

// 初始化设备列表（仅用于测试，随意初始化了一些数据）
void CDeviceManage::InitDeviceList()
{
    for ( int i = 0; i < 10; i++ )
    {
        TDeviceInfo tDevInfo;

        char szBuf[128] = { 0 };
        sprintf(szBuf, "E40CF3E4-CC2B-437F-A4B9-65F2D5BD071%d", i);
                                   strcpy(tDevInfo.szDeviceId, szBuf);

        CUIString strName;
        sprintf(szBuf, "设备%d", i);
                                   strcpy(tDevInfo.szDeviceName, szBuf);

        m_vtDevList;.push_back(tDevInfo);
    }
}

假设我们在CDeviceManage::FindTest成员函数中调用STL的算法函数find_if到m_vtDevList列表中搜索设备Guid（szDeviceId）为E40CF3E4-CC2B-437F-A4B9-65F2D5BD0715的设备信息。如果不使用lambda表达式，则要将条件函数实现在CDeviceManage类外部定义成全局函数，同时要将存放目标id的变量定义成全局的，如下所示：

char* s_lpszTargetDevId = ""; // 定义成静态变量

// 将条件匹配函数定义在类CDeviceManage外部，定义成全局函数
BOOL MatchFunc(TDeviceInfo& tDevInfo)
{
    return strcmp( s_lpszTargetDevId，tDevInfo.szDeviceId ) == 0;
}

bool CDeviceManage::FindTest()
{
     // 对静态变量s_pTargetDevId进行赋值
     s_lpszTargetDevId = "E40CF3E4-CC2B-437F-A4B9-65F2D5BD0715";
     vector<TDeviceInfo>::iterator itor = std::find_if(m_vtDevList.begin(), m_vtDevList.end(), MatchFunc);
     if （ itor != m_vtDevList.end() ）
     {
         // 找到对应的设备信息，进行后续处理的代码省略
         // ......

         return true;
     }

     return false;
}

上述代码实现的相对麻烦一些。
       如果使用lambda表达式，代码要简洁很多，不用将条件匹配函数定义成全局函数，也不用定义静态辅助变量s_lpszTargetDevId，用lambda表达式实现的代码如下：

bool CDeviceManage::FindTest()
{
    char* lpszTargetDevId = "E40CF3E4-CC2B-437F-A4B9-65F2D5BD0715";
    vector<TDeviceInfo>::iterator itor = std::find_if(vtDevList.begin(), vtDevList.end(), [=](const TDeviceInfo& tDevInfo){
    return strcmp(lpszTargetDevId, tDevInfo.achDeviceId) == 0; } );

    // 后续代码省略
    // ......
}

        至于为什么要使用STL的算法函数去搜索， 因为STL的算法函数的效率比较高，比直接去for循环遍历效率会高很多！如果STL列表中存放了大量的数据，数据搜索就要讲究效率了，就要使用到STL算法函数，比直接for循环变量要高上几个数量级，这点在项目中对比测试过！关于使用STL算法函数提高搜索效率的文章，可以参见我之前写的文章：

VC++调用STL算法函数有效提升STL列表的搜索速度（附源码）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/123943134VC++如何使用C++ STL标准模板库中的算法函数（附源码）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/125486409