【C++】32.C++11​（4）

7. lambda

7.1 lambda表达式语法

• lambda 表达式本质是一个匿名函数对象，跟普通函数不同的是他可以定义在函数内部。lambda 表达式语法使用层而言没有类型，所以我们一般是用auto或者模板参数定义的对象去接收 lambda 对象。
• lambda表达式的格式： [capture-list] (parameters)-> return type { function boby }
• [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，捕捉列表可以传值和传引用捕捉，具体细节7.2中我们再细讲。捕捉列表为空也不能省略。
• (parameters) ：参数列表，与普通函数的参数列表功能类似，如果不需要参数传递，则可以连同()一起省略
• ->return type ：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。一般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。
• {function boby} ：函数体，函数体内的实现跟普通函数完全类似，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，函数体为空也不能省略。

int main()
{
    // 一个简单的lambda表达式
    auto add1 = [](int x, int y)->int {return x + y; };
    cout << add1(1, 2) << endl;
    // 1、捕捉为空也不能省略
    // 2、参数为空可以省略
    // 3、返回值可以省略，可以通过返回对象自动推导
    // 4、函数题不能省略
    auto func1 = [] 
    {
        cout << "hello bit" << endl;
        return 0;
    };
    func1();
    int a = 0, b = 1; 
    auto swap1 = [](int& x, int& y)
    {
        int tmp = x;
        x = y;
        y = tmp;
    };
    swap1(a, b);
    cout << a << ":" << b << endl;
    return 0;
}

7.2 捕捉列表

• lambda 表达式中默认只能用 lambda 函数体和参数中的变量，如果想用外层作用域中的变量就需要进行捕捉
• 第一种捕捉方式是在捕捉列表中显示的传值捕捉和传引用捕捉，捕捉的多个变量用逗号分割。[x，y， &z] 表示x和y值捕捉，z引用捕捉。
• 第二种捕捉方式是在捕捉列表中隐式捕捉，我们在捕捉列表写一个=表示隐式值捕捉，在捕捉列表写一个&表示隐式引用捕捉，这样我们 lambda 表达式中用了那些变量，编译器就会自动捕捉那些变量。
• 第三种捕捉方式是在捕捉列表中混合使用隐式捕捉和显示捕捉。[=, &x]表示其他变量隐式值捕捉，x引用捕捉；[&, x, y]表示其他变量引用捕捉，x和y值捕捉。当使用混合捕捉时，第一个元素必须是&或=，并且&混合捕捉时，后面的捕捉变量必须是值捕捉，同理=混合捕捉时，后面的捕捉变量必须是引用捕捉。
• lambda 表达式如果在函数局部域中，他可以捕捉 lambda 位置之前定义的变量，不能捕捉静态局部变量和全局变量，静态局部变量和全局变量也不需要捕捉， lambda 表达式中可以直接使用。这也意味着 lambda 表达式如果定义在全局位置，捕捉列表必须为空。
• 默认情况下， lambda 捕捉列表是被const修饰的，也就是说传值捕捉的过来的对象不能修改，mutable加在参数列表的后面可以取消其常量性，也就说使用该修饰符后，传值捕捉的对象就可以修改了，但是修改还是形参对象，不会影响实参。使用该修饰符后，参数列表不可省略(即使参数为空)。

int x = 0;
// 捕捉列表必须为空，因为全局变量不用捕捉就可以用，没有可被捕捉的变量
auto func1 = []()
{
    x++;
};
int main()
{
    // 只能用当前lambda局部域和捕捉的对象和全局对象
    int a = 0, b = 1, c = 2, d = 3;
    auto func1 = [a, &b]
    {
        // 值捕捉的变量不能修改，引用捕捉的变量可以修改
        //a++;
        b++;
        int ret = a + b;
        return ret;
    };
    cout << func1() << endl;
    // 隐式值捕捉
    // 用了哪些变量就捕捉哪些变量
    auto func2 = [=]
    {
        int ret = a + b + c;
        return ret;
    };
    cout << func2() << endl;
    // 隐式引用捕捉
    // 用了哪些变量就捕捉哪些变量
    auto func3 = [&]
    {
        a++;
        c++;
        d++;
    };
    func3();
    cout << a <<" "<< b <<" "<< c <<" "<< d <<endl;
    // 混合捕捉1
    auto func4 = [&, a, b]
    {
        //a++;
        //b++;
        c++;
        d++;
        return a + b + c + d;
    };
    func4();
    cout << a << " " << b << " " << c << " " << d << endl;
    // 混合捕捉1
    auto func5 = [=, &a, &b]
    {
        a++;
        b++;
        /*c++;
 d++;*/
        return a + b + c + d;
    };
    func5();
    cout << a << " " << b << " " << c << " " << d << endl;
    // 局部的静态和全局变量不能捕捉，也不需要捕捉
    static int m = 0;
    auto func6 = []
    {
        int ret = x + m;
        return ret;
    };
    // 传值捕捉本质是一种拷贝,并且被const修饰了
    // mutable相当于去掉const属性，可以修改了
    // 但是修改了不会影响外面被捕捉的值，因为是一种拷贝
    auto func7 = [=]()mutable
    {
        a++;
        b++;
        c++;
        d++;
        return a + b + c + d;
    };
    cout << func7() << endl;
    cout << a << " " << b << " " << c << " " << d << endl;
    return 0;
}

7.3 lambda的应用

• 在学习 lambda 表达式之前，我们的使用的可调用对象只有函数指针和仿函数对象，函数指针的类型定义起来比较麻烦，仿函数要定义一个类，相对会比较麻烦。使用 lambda 去定义可调用对象，既简单又方便。
• lambda 在很多其他地方用起来也很好用。比如线程中定义线程的执行函数逻辑，智能指针中定制删除器等， lambda 的应用还是很广泛的，以后我们会不断接触到。

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 } };
    // 类似这样的场景，我们实现仿函数对象或者函数指针支持商品中
    // 不同项的比较，相对还是比较麻烦的，那么这里lambda就很好用了
    // 1. 传统方式:使用仿函数进行排序
    sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());     // 按价格升序
    sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());  // 按价格降序

    // 2. 使用lambda表达式进行排序
    // 按价格升序
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
        return g1._price < g2._price;  // 比较商品价格
    });

    // 按价格降序
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
        return g1._price > g2._price;  // 比较商品价格
    });

    // 按评价分数升序
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
        return g1._evaluate < g2._evaluate;  // 比较商品评分
    });

    // 按评价分数降序
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
        return g1._evaluate > g2._evaluate;  // 比较商品评分
    });
    return 0;
}

7.4 lambda的原理

• lambda 的原理和范围for很像，编译后从汇编指令层的角度看，压根就没有 lambda 和范围for这样的东西。范围for底层是迭代器，而lambda底层是仿函数对象，也就说我们写了一个lambda 以后，编译器会生成一个对应的仿函数的类。
• 仿函数的类名是编译按一定规则生成的，保证不同的 lambda 生成的类名不同，lambda参数/返回类型/函数体就是仿函数operator()的参数/返回类型/函数体， lambda 的捕捉列表本质是生成的仿函数类的成员变量，也就是说捕捉列表的变量都是 lambda 类构造函数的实参，当然隐式捕捉，编译器要看使用哪些就传那些对象。
• 上面的原理，我们也可以透过汇编层了解。

代码1：

// 仿函数类的定义
class Rate
{
public:
    // 构造函数，初始化利率
    Rate(double rate) 
        : _rate(rate)
    {}

    // 重载函数调用运算符，计算利息
    // 参数：money-本金，year-年限
    double operator()(double money, int year)
    {
        return money * _rate * year;  // 利息 = 本金 * 利率 * 年限
    }
private:
    double _rate;  // 利率
};

int main()
{
    double rate = 0.49;  // 设定利率

    // 方式1：使用lambda表达式创建函数对象
    // 捕获外部变量rate，接收money和year两个参数
    auto r2 = [rate](double money, int year) {
        return money * rate * year;  // 计算方式与Rate类相同
    };

    // 方式2：使用仿函数类创建对象
    Rate r1(rate);  
    
    // 调用两种方式计算利息
    r1(10000, 2);   // 使用仿函数对象计算：10000 * 0.49 * 2
    r2(10000, 2);   // 使用lambda表达式计算：10000 * 0.49 * 2

    // 无参数的lambda表达式示例
    auto func1 = [] {
        cout << "hello world" << endl;
    };
    func1();  // 调用lambda表达式

    return 0;
}

8. 包装器

为什么要有包装器？

ret = func(x);  // func 可以是多种可调用类型

// 1. 可能的类型包括：
// a. 函数名/函数指针
double func(double x) { return x * 2; }

// b. 函数对象（仿函数）
struct Func {
    double operator()(double x) { return x * 2; }
};

// c. lambda 表达式
auto func = [](double x) { return x * 2; };

// 2. 这导致模板会为每种类型生成不同的实例化代码
template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{
    static int count = 0;  // 每个模板实例都有独立的 static 变量
    cout << "count:" << ++count << endl;
    cout << "count:" << &count << endl;  // 不同地址说明是不同的实例

    return f(x);
}

int main()
{
    // 每次使用不同类型的可调用对象都会生成新的模板实例
    useF(f, 11.11);                    // 实例1：函数指针版本
    useF(Functor(), 11.11);            // 实例2：函数对象版本
    useF([](double d){ return d/4; }, 11.11);  // 实例3：lambda版本
}

8.1 function

// 1. 一般声明，未定义
template <class T>
class function;  // 主模板，故意不定义，只是声明

// 2. 特化声明
template <class Ret, class... Args>
class function<Ret(Args...)>;  // 函数类型的特化版本

• std::function 是一个类模板，也是一个包装器。 std::function 的实例对象可以包装存储其他的可以调用对象，包括函数指针、仿函数、 lambda 、 bind 表达式等，存储的可调用对象被称为 std::function 的目标。若 std::function 不含目标，则称它为空。调用空 std::function 的目标导致抛出std::bad_function_call 异常。
• 以上是 function 的原型，他被定义<functional>头文件中。std::function - cppreference.com是function的官方文件链接。
• 函数指针、仿函数、 lambda 等可调用对象的类型各不相同， std::function 的优势就是统一类型，对他们都可以进行包装，这样在很多地方就方便声明可调用对象的类型，下面的第二个代码样例展示了 std::function 作为map的参数，实现字符串和可调用对象的映射表功能。

代码1：

#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std;

// 基本语法：function<返回值类型(参数类型列表)>

// 1. 无参数函数包装
void f1() 
{ 
    cout << "f1()" << endl; 
}
function<void()> func1 = f1;
//function<返回值类型(参数1,参数2)> 包装器对象名称 = 用f1函数初始化包装器对象

// 2. 一个参数函数包装
int f2(int i) 
{ 
    return i; 
}
function<int(int)> func2 = f2;

// 3. 两个参数函数包装
double f3(int i, double d) 
{ 
    return i + d; 
}
function<double(int, double)> func3 = f3;

int main()
{
    // 调用方式与普通函数相同
    func1();           // 调用f1
    cout << func2(1) << endl;        // 调用f2
    cout << func3(1, 1.1) << endl;   // 调用f3

    return 0;
}

代码2：

// ret = func(x); 
// func可能的类型：
// 1. 普通函数名/函数指针
// 2. 函数对象(仿函数)
// 3. lambda表达式
// 这些不同类型都可以被调用，称为可调用类型(callable types)

// 模板函数，接受一个可调用对象F和参数T
template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{
    static int count = 0;  // 静态变量，记录函数调用次数
    cout << "count:" << ++count << endl;
    cout << "count:" << &count << endl;  // 打印count的地址

    return f(x);  // 调用可调用对象
}

// 普通函数：将输入参数除以2
double f(double i)
{
    return i / 2;
}

// 函数对象（仿函数）：将输入参数除以3
struct Functor
{
    double operator()(double d)
    {
        return d / 3;
    }
};

int main()
{
    // 使用函数指针调用useF
    cout << useF(f, 11.11) << endl;

    // 使用函数对象调用useF
    cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;

    // 使用lambda表达式调用useF
    cout << useF([](double d)->double { return d / 4; }, 11.11) << endl;

    // function包装器：统一不同可调用对象的类型
    function<double(double)> f1 = f;                                    // 包装普通函数
    function<double(double)> f2 = [](double d)->double { return d / 4; }; // 包装lambda表达式
    function<double(double)> f3 = Functor();                           // 包装函数对象

    // 将不同的可调用对象存储在vector容器中
    //vector<function<double(double)>> v = { f1, f2, f3 };这行和下面一行一样
    vector<function<double(double)>> v = { f, [](double d)->double { return d / 4; }, Functor() };
    //vector<function<double(double)>> 创建了一个vector容器，function<double(double)> 是容器元素的类型
    //容器初始化列表包含三个元素：
        //f: 普通函数，将参数除以2
        //[](double d)->double { return d / 4; }: lambda表达式，将参数除以4
        //Functor(): 函数对象，将参数除以3

    // 遍历并调用vector中的所有可调用对象
    double n = 3.3;
    for (auto f : v)
    {
        cout << f(n++) << endl;
    }

    return 0;
}

代码3：

#include<functional>
int f(int a, int b)
{
    return a + b;
}
struct Functor
{
    public:
    int operator() (int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
};
class Plus
{
    public:
    Plus(int n = 10)
        :_n(n)
        {}
    static int plusi(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
    double plusd(double a, double b)
    {
        return (a + b) * _n;
    }
    private:
    int _n;
};
int main()
{
    // 包装各种可调用对象
    function<int(int, int)> f1 = f;
    function<int(int, int)> f2 = Functor();
    function<int(int, int)> f3 = [](int a, int b) {return a + b; };
    cout << f1(1, 1) << endl;
    cout << f2(1, 1) << endl;
    cout << f3(1, 1) << endl;
    // 包装静态成员函数
    // 成员函数要指定类域并且前面加&才能获取地址
    function<int(int, int)> f4 = &Plus::plusi;
    cout << f4(1, 1) << endl;
    // 包装普通成员函数
    // 普通成员函数还有一个隐含的this指针参数，所以绑定时传对象或者对象的指针过去都可以
    function<double(Plus*, double, double)> f5 = &Plus::plusd;
    Plus pd;
    cout << f5(&pd, 1.1, 1.1) << endl;
    function<double(Plus, double, double)> f6 = &Plus::plusd;
    cout << f6(pd, 1.1, 1.1) << endl;
    cout << f6(pd, 1.1, 1.1) << endl;
    function<double(Plus&&, double, double)> f7 = &Plus::plusd;
    cout << f7(move(pd), 1.1, 1.1) << endl;
    cout << f7(Plus(), 1.1, 1.1) << endl;
    return 0;
}

8.2 bind

// 形式1：不指定返回值类型
template <class Fn, class... Args>
/* unspecified */ bind(Fn&& fn, Args&&... args);

// 形式2：显式指定返回值类型
template <class Ret, class Fn, class... Args>
/* unspecified */ bind(Fn&& fn, Args&&... args);

• bind 是一个函数模板，它也是一个可调用对象的包装器，可以把他看做一个函数适配器，对接收的fn可调用对象进行处理后返回一个可调用对象。 bind 可以用来调整参数个数和参数顺序。bind 也在<functional>这个头文件中。
• 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_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。_1/_2/_3....这些占位符放到placeholders的一个命名空间中。

代码1：

// 普通函数：返回两数之差
int Sub(int a, int b)
{
    return a - b;
}

// 普通函数：返回两数之和乘以rate
double Plus(int a, int b, double rate)
{
    return (a + b) * rate;
}

// 普通函数：返回两数之和乘以rate，参数顺序不同
double PPlus(int a, double rate, int b)
{
    return  rate * (a + b);
}

// 类中包含成员函数sub
class Sub
{
public:
    int sub(int a, int b)
    {
        return a - b;
    }
};

// 类中包含静态成员函数sub和普通成员函数ssub
class SubType
{
public:
    static int sub(int a, int b)
    {
        return a - b;
    }

    int ssub(int a, int b, int rate)
    {
        return (a - b) * rate;
    }
};

int main()
{
    // bind改变参数顺序：将第一个参数和第二个参数位置互换
    // 所以rSub(10, 5)实际执行的是Sub(5, 10)
    function<int(int, int)> rSub = bind(Sub, placeholders::_2, placeholders::_1);
    cout << rSub(10, 5) << endl;  // 输出-5

    // bind固定第三个参数rate为不同值
    function<double(int, int)> Plus1 = bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2, 4.0);
    function<double(int, int)> Plus2 = bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2, 4.2);
    function<double(int, int)> Plus3 = bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2, 4.4);

    cout << Plus1(5, 3) << endl;  // (5+3)*4.0
    cout << Plus2(5, 3) << endl;  // (5+3)*4.2
    cout << Plus3(5, 3) << endl;  // (5+3)*4.4

    // bind固定第二个参数rate为不同值
    function<double(int, int)> PPlus1 = bind(PPlus, placeholders::_1, 4.0, placeholders::_2);
    function<double(int, int)> PPlus2 = bind(PPlus, placeholders::_1, 4.2, placeholders::_2);
    cout << PPlus1(5, 3) << endl;  // 4.0*(5+3)
    cout << PPlus2(5, 3) << endl;  // 4.2*(5+3)

    // 绑定静态成员函数
    function<double(int, int)> Sub1 = bind(&SubType::sub, placeholders::_1, placeholders::_2);
    //静态的第一个参数可以不加&，也可以加&
    //非静态的必须加&

    // 绑定普通成员函数，需要提供对象指针
    SubType st;
    function<double(int, int)> Sub2 = bind(&SubType::ssub, &st, placeholders::_1, placeholders::_2, 3);
    //这里有4个参数是因为绑定成员函数时，需要比原函数多一个参数来指定对象实例。
    cout << Sub1(1, 2) << endl;  // 静态成员函数调用
    cout << Sub2(1, 2) << endl;  // 对象成员函数调用

    // 绑定普通成员函数，通过临时对象
    function<double(int, int)> Sub3 = bind(&SubType::ssub, SubType(), placeholders::_1, placeholders::_2, 3);
    cout << Sub3(1, 2) << endl;

    // 输出Sub3的类型名
    cout << typeid(Sub3).name() << endl;

    return 0;
}

代码2：

#include<functional>
using placeholders::_1;  // 占位符，表示将来传入的第1个参数
using placeholders::_2;  // 表示将来传入的第2个参数
using placeholders::_3;  // 表示将来传入的第3个参数

// 基础函数：两个参数
int Sub(int a, int b)
{
    return (a - b) * 10;
}

// 三个参数的函数
int SubX(int a, int b, int c)
{
    return (a - b - c) * 10;
}

class Plus
{
public:
    // 静态成员函数
    static int plusi(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
    
    // 普通成员函数
    double plusd(double a, double b)
    {
        return a + b;
    }
};

int main()
{
    // 1. 基本bind用法，保持参数顺序不变
    auto sub1 = bind(Sub, _1, _2);
    cout << sub1(10, 5) << endl;  // 输出：(10-5)*10 = 50

    // 2. 调整参数顺序
    auto sub2 = bind(Sub, _2, _1);  // 交换两个参数位置
    cout << sub2(10, 5) << endl;    // 输出：(5-10)*10 = -50

    // 3. 绑定固定参数
    auto sub3 = bind(Sub, 100, _1);  // 第一个参数固定为100
    cout << sub3(5) << endl;         // 输出：(100-5)*10 = 950

    auto sub4 = bind(Sub, _1, 100);  // 第二个参数固定为100
    cout << sub4(5) << endl;         // 输出：(5-100)*10 = -950

    // 4. 三参数函数的不同绑定方式
    auto sub5 = bind(SubX, 100, _1, _2);  // 固定第一个参数
    cout << sub5(5, 1) << endl;           // 输出：(100-5-1)*10 = 940

    auto sub6 = bind(SubX, _1, 100, _2);  // 固定第二个参数
    cout << sub6(5, 1) << endl;           // 输出：(5-100-1)*10 = -960

    auto sub7 = bind(SubX, _1, _2, 100);  // 固定第三个参数
    cout << sub7(5, 1) << endl;           // 输出：(5-1-100)*10 = -960

    // 5. 成员函数的绑定
    function<double(Plus&&, double, double)> f6 = &Plus::plusd;
    Plus pd;
    cout << f6(move(pd), 1.1, 1.1) << endl;  // 输出：2.2
    cout << f6(Plus(), 1.1, 1.1) << endl;    // 输出：2.2

    // 6. 使用bind简化成员函数调用
    function<double(double, double)> f7 = bind(&Plus::plusd, Plus(), _1, _2);
    cout << f7(1.1, 1.1) << endl;  // 输出：2.2

    // 7. 复利计算的lambda表达式
    auto func1 = [](double rate, double money, int year)->double {
        double ret = money;
        for (int i = 0; i < year; i++)
        {
            ret += ret * rate;
        }
        return ret - money;  // 返回利息
    };

    // 8. 使用bind创建不同利率和期限的复利计算函数
    // 参数分别为：利率、本金(可变)、年限
    function<double(double)> func3_1_5 = bind(func1, 0.015, _1, 3);  // 1.5%利率3年
    function<double(double)> func5_1_5 = bind(func1, 0.015, _1, 5);  // 1.5%利率5年
    function<double(double)> func10_2_5 = bind(func1, 0.025, _1, 10); // 2.5%利率10年
    function<double(double)> func20_3_5 = bind(func1, 0.035, _1, 30); // 3.5%利率30年

    // 计算100万元在不同方案下的利息
    cout << func3_1_5(1000000) << endl;   // 3年期1.5%利率
    cout << func5_1_5(1000000) << endl;   // 5年期1.5%利率
    cout << func10_2_5(1000000) << endl;  // 10年期2.5%利率
    cout << func20_3_5(1000000) << endl;  // 30年期3.5%利率

    return 0;
}