[C++] 闭包：Lambda表达式、function和bind

原文(有删改)： https://www.cnblogs.com/lsgxeva/p/7788259.html
https://www.cnblogs.com/DswCnblog/p/5629165.html

闭包有很多种定义，一种说法是，闭包是带有上下文的函数。说白了，就是有状态的函数。更直接一些，不就是个类吗？换了个名字而已。

一个函数，带上了一个状态，就变成了闭包了。那什么叫 “带上状态” 呢？意思是这个闭包有属于自己的变量，这些个变量的值是创建闭包的时候设置的，并在调用闭包的时候，可以访问这些变量。

函数是代码，状态是一组变量，将代码和一组变量捆绑 (bind) ，就形成了闭包。

闭包的状态捆绑，必须发生在运行时。

C++ 11 Lambda表达式

C++11的一大亮点就是引入了Lambda表达式。利用Lambda表达式，可以方便的定义和创建匿名函数。对于C++这门语言来说来说，“Lambda表达式”或“匿名函数”这些概念听起来好像很深奥，但很多高级语言在很早以前就已经提供了Lambda表达式的功能，如C#，Python等。今天，我们就来简单介绍一下C++中Lambda表达式的简单使用。

声明Lambda表达式
Lambda表达式完整的声明格式如下：

[capture list] (params list) mutable exception-> return type { function body }

各项具体含义如下

capture list：捕获外部变量列表
params list：形参列表
mutable指示符：用来说用是否可以修改捕获的变量
exception：异常设定
return type：返回类型
function body：函数体

此外，我们还可以省略其中的某些成分来声明“不完整”的Lambda表达式，常见的有以下几种：

序号	格式
1	[capture list] (params list) -> return type {function body}
2	[capture list] (params list) {function body}
3	[capture list] {function body}

其中：

格式1声明了const类型的表达式，这种类型的表达式不能修改捕获列表中的值。
格式2省略了返回值类型，但编译器可以根据以下规则推断出Lambda表达式的返回类型：（1）：如果function body中存在return语句，则该Lambda表达式的返回类型由return语句的返回类型确定；（2）：如果function body中没有return语句，则返回值为void类型。
格式3中省略了参数列表，类似普通函数中的无参函数。

讲了这么多，我们还没有看到Lambda表达式的庐山真面目，下面我们就举一个实例。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

bool cmp(int a, int b)
{
    return  a < b;
}

int main()
{
    vector<int> myvec{ 3, 2, 5, 7, 3, 2 };
    vector<int> lbvec(myvec);

    sort(myvec.begin(), myvec.end(), cmp); // 旧式做法
    cout << "predicate function:" << endl;
    for (int it : myvec)
        cout << it << ' ';
    cout << endl;

    sort(lbvec.begin(), lbvec.end(), [](int a, int b) -> bool { return a < b; });   // Lambda表达式
    cout << "lambda expression:" << endl;
    for (int it : lbvec)
        cout << it << ' ';
}

在C++11之前，我们使用STL的sort函数，需要提供一个谓词函数。如果使用C++11的Lambda表达式，我们只需要传入一个匿名函数即可，方便简洁，而且代码的可读性也比旧式的做法好多了。

下面，我们就重点介绍一下Lambda表达式各项的具体用法。

捕获外部变量
Lambda表达式可以使用其可见范围内的外部变量，但必须明确声明（明确声明哪些外部变量可以被该Lambda表达式使用）。那么，在哪里指定这些外部变量呢？Lambda表达式通过在最前面的方括号[]来明确指明其内部可以访问的外部变量，这一过程也称过Lambda表达式“捕获”了外部变量。

我们通过一个例子来直观地说明一下：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [a] { cout << a << endl; }; 
    f(); // 输出：123

    //或通过“函数体”后面的‘()’传入参数
    auto x = [](int a){cout << a << endl;}(123); 
}

上面这个例子先声明了一个整型变量a，然后再创建Lambda表达式，该表达式“捕获”了a变量，这样在Lambda表达式函数体中就可以获得该变量的值。

类似参数传递方式（值传递、引入传递、指针传递），在Lambda表达式中，外部变量的捕获方式也有值捕获、引用捕获、隐式捕获。

1、值捕获
值捕获和参数传递中的值传递类似，被捕获的变量的值在Lambda表达式创建时通过值拷贝的方式传入，因此随后对该变量的修改不会影响影响Lambda表达式中的值。

示例如下：

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [a] { cout << a << endl; }; 
    a = 321;
    f(); // 输出：123
}

这里需要注意的是，如果以传值方式捕获外部变量，则在Lambda表达式函数体中不能修改该外部变量的值。

2、引用捕获
使用引用捕获一个外部变量，只需要在捕获列表变量前面加上一个引用说明符&。如下：

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [&a] { cout << a << endl; }; 
    a = 321;
    f(); // 输出：321
}

从示例中可以看出，引用捕获的变量使用的实际上就是该引用所绑定的对象。

3、隐式捕获
上面的值捕获和引用捕获都需要我们在捕获列表中显示列出Lambda表达式中使用的外部变量。除此之外，我们还可以让编译器根据函数体中的代码来推断需要捕获哪些变量，这种方式称之为隐式捕获。隐式捕获有两种方式，分别是[=]和[&]。[=]表示以值捕获的方式捕获外部变量，[&]表示以引用捕获的方式捕获外部变量。

隐式值捕获示例：

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [=] { cout << a << endl; };    // 值捕获
    f(); // 输出：123
}

隐式引用捕获示例：

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [&] { cout << a << endl; };    // 引用捕获
    a = 321;
    f(); // 输出：321
}

4、混合方式
上面的例子，要么是值捕获，要么是引用捕获，Lambda表达式还支持混合的方式捕获外部变量，这种方式主要是以上几种捕获方式的组合使用。

到这里，我们来总结一下：C++11中的Lambda表达式捕获外部变量主要有以下形式：

捕获形式	说明
[]	不捕获任何外部变量
[变量名, …]	默认以值得形式捕获指定的多个外部变量（用逗号分隔），如果引用捕获，需要显示声明（使用&说明符）
[this]	以值的形式捕获this指针
[=]	以值的形式捕获所有外部变量
[&]	以引用形式捕获所有外部变量
[=, &x]	变量x以引用形式捕获，其余变量以传值形式捕获
[&, x]	变量x以值的形式捕获，其余变量以引用形式捕获

修改捕获变量
前面我们提到过，在Lambda表达式中，如果以传值方式捕获外部变量，则函数体中不能修改该外部变量，否则会引发编译错误。那么有没有办法可以修改值捕获的外部变量呢？这是就需要使用mutable关键字，该关键字用以说明表达式体内的代码可以修改值捕获的变量，示例：

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [a]()mutable { cout << ++a; }; // 不会报错
    cout << a << endl; // 输出：123
    f(); // 输出：124
}

Lambda表达式的参数
Lambda表达式的参数和普通函数的参数类似，那么这里为什么还要拿出来说一下呢？原因是在Lambda表达式中传递参数还有一些限制，主要有以下几点：

参数列表中不能有默认参数
不支持可变参数
所有参数必须有参数名
常用举例：

   {
　　　　 int m = [](int x) { return [](int y) { return y * 2; }(x)+6; }(5);
        std::cout << "m:" << m << std::endl;            　　//输出m:16

        std::cout << "n:" << [](int x, int y) { return x + y; }(5, 4) << std::endl;            //输出n:9
        
        auto gFunc = [](int x) -> function<int(int)> { return [=](int y) { return x + y; }; };
        auto lFunc = gFunc(4);
        std::cout << lFunc(5) << std::endl;

        auto hFunc = [](const function<int(int)>& f, int z) { return f(z) + 1; };
        auto a = hFunc(gFunc(7), 8);

        int a = 111, b = 222;
        auto func = [=, &b]()mutable { a = 22; b = 333; std::cout << "a:" << a << " b:" << b << std::endl; };

        func();
        std::cout << "a:" << a << " b:" << b << std::endl;

        a = 333;
        auto func2 = [=, &a] { a = 444; std::cout << "a:" << a << " b:" << b << std::endl; };
        func2();

        auto func3 = [](int x) ->function<int(int)> { return [=](int y) { return x + y; }; };

    　　
　　　　 std::function<void(int x)> f_display_42 = [](int x) { print_num(x); };
	f_display_42(44);
　　}

std::function

在C++中，可调用实体主要包括：函数、函数指针、函数引用、可以隐式转换为函数指定的对象，或者实现了opetator()的对象。

C++11中，新增加了一个std::function类模板，它是对C++中现有的可调用实体的一种类型安全的包裹。通过指定它的模板参数，它可以用统一的方式处理函数、函数对象、函数指针，并允许保存和延迟执行它们。

std::function对象最大的用处就是在实现函数回调，使用者需要注意，它不能被用来检查相等或者不相等，但是可以与NULL或者nullptr进行比较。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <functional>
#include <vector>
#include <map>

void func(void)
{// 普通全局函数
    std::cout << __FUNCTION__ << std::endl;
}

class Foo
{
public:
    static int foo_func(int a)
    {// 类中的静态函数
        std::cout << __FUNCTION__ << "(" << a << ")->: ";
        return a;
    }
};

class Bar
{
public:
    int operator ()(int a)
    {// 仿函数
        std::cout << __FUNCTION__ << "(" << a << ")->: ";
        return a;
    }
};

void mytest()
{
    // std::function对象最大的用处就是在实现函数回调，使用者需要注意，它不能被用来检查相等或者不相等，但是可以与NULL或者nullptr进行比较。

    // 绑定一个普通函数
    std::function< void(void) > f1 = func;
    f1();

    // 绑定类中的静态函数
    std::function<int(int)> f2 = Foo::foo_func;
    std::cout << f2(11) << std::endl;

    // 绑定一个仿函数
    Bar obj;
    std::function<int(int)> f3 = obj;
    std::cout << f3(222) << std::endl;

    /*
     运行结果：
     func
     Foo::foo_func(11)->: 11
     Bar::operator ()(222)->: 222
    */

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

std::bind

std::bind是这样一种机制，它可以预先把指定可调用实体的某些参数绑定到已有的变量，产生一个新的可调用实体，这种机制在回调函数的使用过程中也颇为有用。

C++98中，有两个函数bind1st和bind2nd，它们分别可以用来绑定functor的第一个和第二个参数，它们都是只可以绑定一个参数，各种限制，使得bind1st和bind2nd的可用性大大降低。

在C++11中，提供了std::bind，它绑定的参数的个数不受限制，绑定的具体哪些参数也不受限制，由用户指定，这个bind才是真正意义上的绑定。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <functional>
#include <vector>
#include <map>


void func(int x, int y)
{
    std::cout << x << " " << y << std::endl;
}


void mytest()
{
    std::bind(func, 1, 2)();
    std::bind(func, std::placeholders::_1, 2)(1);
    func(1, 2);

    // std::placeholders 表示的是占位符
    // std::placeholders::_1是一个占位符，代表这个位置将在函数调用时，被传入的第一个参数所替代。
    std::bind(func, 2, std::placeholders::_1)(1);
    std::bind(func, 2, std::placeholders::_2)(1, 2);
    std::bind(func, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2)(1, 2);
    std::bind(func, std::placeholders::_3, std::placeholders::_2)(1, 2, 3);
    
    //std::bind(func, 2, std::placeholders::_2)(1); // err, 调用时没有第二个参数

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

std::bind和std::function配合使用
通过std::bind和std::function配合使用，所有的可调用对象均有了统一的操作方法

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <functional>
#include <vector>
#include <map>


class Test
{
public:
    int i; // 非静态成员变量

    void func(int x, int y)
    { // 非静态成员函数
        std::cout << x << " " << y << std::endl;
    }
};

void mytest()
{
    Test obj; // 创建对象
    // 绑定非静态成员函数
    std::function<void(int, int)> f1 = std::bind(&Test::func, &obj, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
    f1(1, 2); // 输出: 1 2

    obj.i = 10;
    // 绑定非静态成员变量
    std::function<int &()> f2 = std::bind(&Test::i, &obj);
    f2() = 123;  // obj.i = 123;
    std::cout << "obj.i: " << obj.i << std::endl;

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}