【C++】C++新增特性解析:Lambda表达式、包装器与绑定的应用

发布于:2024-11-29 ⋅ 阅读:(26) ⋅ 点赞:(0)

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V可变参数模板与emplace系列

C++语法 相关知识点 可以通过点击 以下链接进行学习 一起加油!
命名空间 缺省参数与函数重载 C++相关特性 类和对象-上篇 类和对象-中篇
类和对象-下篇 日期类 C/C++内存管理 模板初阶 String使用
String模拟实现 Vector使用及其模拟实现 List使用及其模拟实现 容器适配器Stack与Queue Priority Queue与仿函数
模板进阶-模板特化 面向对象三大特性-继承机制 面向对象三大特性-多态机制 STL 树形结构容器 二叉搜索树
AVL树 红黑树 红黑树封装map/set 哈希-开篇 闭散列-模拟实现哈希
哈希桶-模拟实现哈希 哈希表封装 unordered_map 和 unordered_set C++11 新特性:序章 右值引用、移动语义、万能引用实现完美转发 可变参数模板与emplace系列

大家好,我是店小二。在这篇文章中,我们将深入探讨C++11的新特性——Lambda表达式、包装器与绑定的应用。如果在阅读过程中有不清楚的地方或发现任何错误,欢迎随时私信交流探讨。

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一、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 。

struct Goods
{
    string _name;
    double _price;
    int _evaluate;

    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());
}

随着C++语法的发展,上面的写法过于复杂,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 (本质也是匿名对象调用仿函数)

1.1 lambda表达式说明

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

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) (这个一般可以省略)
  • ->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。

1.2 可省略部分

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:[]{}表示lambda函数不能做任何事情

lambda表达式实际上可以理解为无名函数,该函数无法直接被调用,如果想要直接调用,可借助auto将其赋值给一个变量。

int main()
{
	//lambda
	auto add1 = [](int a, int b)->int {return a + b; };
	//返回值 可以省略
	auto add2 = [](int a, int b) {return a + b; };
	//没有参数,参数列表可以省略
	auto func1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	
    //调用lambda匿名函数
	cout << add1(1, 2) << endl;
	func1();
	return 0;
}

1.3 lambda使用场景(个人推荐使用第二种)

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//第一种
auto ComparePriceGreater = [](const Goods& gl, const Goods& gr) { return gl._price > gr._price;});
sort(v.begin(), v.end(),ComparePriceGreater);

//第二种
sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& gl, const Goods& gr) 
     { 
         return gl._price > gr._price;
     });

1.4 比较lambda和仿函数

  • 功能:仿函数和 Lambda 表达式都能重新定义函数调用的行为,但是 Lambda 表达式更加灵活和直观,特别是在需要定义简短、一次性的函数时非常方便
  • 语法:Lambda 表达式的语法更为紧凑,使得代码更易于阅读和维护,而仿函数则更适合于需要长期保存状态或多次调用的情况。
  • 使用场景:在现代 C++ 中,Lambda 表达式通常更受欢迎,因为它们简洁明了,且能够直接在需要时定义和使用,避免了定义额外的类或结构体。

上述代码就是使用C++11中lambda表达式来解决,可以看出lambda表达式实际是一个匿名函数。既然是匿名函数lambda的类型也是不得而知的,但是我们可以通过cout << typeid().name << endl;参考下类型

1.5 lambda类型

Lambda 表达式在 C++ 中的类型可以有两种主要形式:*未命名类型和命名类型

1.5.1 未定义类型

当 Lambda 表达式没有被赋予一个变量或者没有作为参数传递给一个模板时,它们是未命名的,也就是没有特定的类型,对象的行为是函数体和函数参数决定的未命名类型的 Lambda 表达式auto lambda = [](int x){return x * 2;};

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1.5.2 定义类型

当 Lambda 表达式被赋予一个变量或者被用作模板参数时,它们可以有一个具体的类型命名类型的 Lambda 表达式:std::function<int(int)> lambda = [](int x) { return x * 2; };

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lambda原理类似范围for。lambda编译时,编译器会生成对应仿函数的名称,对此lambda本质还是仿函数

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1.6 捕获列表

1.6.1 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。:

  • [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

捕获列表注意:

  1. 父作用域指包含lambda函数的语句块
  2. 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
  3. 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
  4. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。
  5. 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
  6. lambda表达式之间不能相互赋值,即使看起来类型相同

1.6.2 什么情况下捕捉列表必须为空?

如果一个lambda函数被定义在某个块作用域内,而它试图在这个块作用域外部(即在这个块结束后)使用,这时这个lambda函数的捕捉列表必须为空。原因是:

  • 捕捉的变量作用域有限:在块作用域结束后,块作用域内的局部变量将不再存在。如果lambda函数捕捉了这些变量,并在块外部被调用,这会导致未定义行为,因为那些变量已经销毁了。
  • 捕捉列表为空:意味着lambda函数不依赖于块作用域中的任何局部变量,这样lambda函数就可以在块作用域结束后安全地使用。

块作用域:这是一个局部作用域,通常指在花括号 {} 中的代码块,比如函数体或循环体。

以上是相关捕获列表的相关知识,以下将通过代码进行分析,深入理解使用。

1.6.3 传值捕捉

第一种:捕获a,b对象给lambda,但是不可以修改捕获对象,因为这里捕获a,b对象是对外面域a,b对象的拷贝,临时对象具有常性

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	cout << "a: " << a << "   " << "b: " << b << endl;

	auto swap = [a, b]() 
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	swap();
	cout << "a: " << a << "   " << "b: " << b << endl;
	return 0;
}

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1.6.4 mutable可以修改拷贝对象

mutable可以修改传值捕捉对象(日常一般不需要),因为这里捕获a,b对象是对外面域a,b对象的拷贝,虽然修改也不改变外面的a b。

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	cout << "a: " << a << "   " << "b: " << b << endl;

	auto swap = [a, b]() mutable
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	swap();
	cout << "a: " << a << "   " << "b: " << b << endl;
	return 0;
}

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1.6.5 引用捕获

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	cout << "a: " << a << "   " << "b: " << b << endl;

	auto swap = [&a,&b]() 
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	swap();
	cout << "a: " << a << "   " << "b: " << b << endl;
	return 0;
}

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1.6.6 传值捕捉所有对象

int main()
{
    int a = 1, b = 2, c = 3, d = 4, e = 5;
    // 传值捕捉所有对象
    auto func1 = [=]()
    {
        return a + b + c * d;
    };

    cout << func1() << endl;
    return 0;
}

1.6.7 传引用捕捉所有对象

int main()
{
    int a = 1, b = 2, c = 3, d = 4, e = 5;

    auto func = [&]()
    {
        a++;
        b++;
        c++;
        d++;
        e++;
    };
    func();
    cout << a << b << c << d << e << endl;
    return 0;
}

1.6.8 混合捕捉

auto func3 = [&, d, e]()
{
    a++;
    b++;
    c++;
    d++;
    e++;
};

func3();
cout << a << b << c << d << e << endl;

以上虽然有什么传值捕获、引用捕获、混合捕获,其实只要调用函数传值感觉差不多,这里重点是掌握用法就行了

1.7 函数对象与lambda表达式

函数对象又称为仿函数,即可以想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 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;
}

从使用方式上来看,函数对象与lambda表达式完全一样,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。

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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()

二、包装器

//可调用对象  -- 使用了模板
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(这里是匿名对象)
    cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;

    //lambda表达式(利用模板)
    cout << useF([](double d)->double {return d / 4; }, 11.11) << endl;

    return 0;
}

通过模板根据不同的类型可以调用不同的可调用对象,比如函数指针、仿函数对象、lambda,如此繁多的选择也可能会导致模板效率低下。通过上面的程序验证,这里useF函数模板实例化了三份,而且对于不同的可调用对象也有存在于自己的缺点和优点,这里就需要包装器进行统一下了。

可调用对象优缺点分析:

  • 函数指针 --> 类型定义复杂
  • 仿函数对象 --> 要定义一个类,用的时候有点麻烦,不适合统一类型
  • lambda --> 没有类型概念(类型对我们没有用)

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1.1 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。std::function在头文件。

function类模板原型

template <class T>  function; // undefind

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

function不是定义可调用对象,而是包装可调用对象

function<int(int,int)> fc1;
	      ↑      ↑
      返回值类型  形参类型列表

1.2 function使用场景(对上面的修改)

#include <functional>
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
    std::function<double(double)> func1 = f;
    cout << useF(func1, 11.11) << endl;

    // 函数对象
    std::function<double(double)> func2 = Functor();
    cout << useF(func2, 11.11) << endl;

    // lamber表达式
    std::function<double(double)> func3 = [](double d)->double { return d / 4; };
    cout << useF(func3, 11.11) << endl;
    return 0;
}

通过以上代码,可以更好地去了解包装可调用对象,达到统一的作用。不妨在看一个场景。

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主要是看红色框起来的地方跟左边代码对比,其实逻辑是大致相同,如果遇到操作符进行对应的运算,左边是通过switch分支语句实现,右边则是通过map的kv模型,将对于运算符(这里是字符)和包装器联系在一起,而包装器是对可调用对象进行包装,保证了不同的操作符对应不同仿函数的逻辑。然后下面返回仿函数直接调用就行了。将可调用函数跟数值联系起来并且存储在map类中。

三、bind绑定

3.1 bind概念

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);

参数部分:

  1. newCallable本身是一个可调用对象
  2. 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,neweCallable会调用callable,并传给它arg_list中的参数。

3.2 placeholders

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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的参数的"位置"。数值n表示n生成的可调用对象中参数的位置: _1未newCallable的第一个参数, _2为第二个参数。以此类推。

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std::placeholders::_1std::placeholders::_2 等是 C++11 标准引入的占位符,用于绑定函数对象时表示参数的位置。它们依次表示函数的第一个、第二个、第三个参数,以此类推。

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std::bind 这里绑定了 fx 函数的第一个参数 s 为字符串 name(即“王昭君”),并将第二个参数和第三个参数的位置分别用 _1_2 来占位。这意味着生成的 f 是一个新的可调用对象,它接受两个参数,分别用于 fx 的第二个参数 x 和第三个参数 y

std::placeholders::_1_2 指定了新函数对象 f 的参数传递到原函数 fx 的对应位置,分别表示第二个和第三个参数位置。


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以上就是本篇文章的所有内容,在此感谢大家的观看!这里是店小二呀C++笔记,希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助!