C++11中l(wèi)ambda、std::function和std:bind詳解

前言

在C++11新標(biāo)準(zhǔn)中，語言本身和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)都增加了很多新內(nèi)容，本文只涉及了一些皮毛。不過我相信這些新特性當(dāng)中有一些，應(yīng)該成為所有C++開發(fā)者的常規(guī)裝備。本文主要介紹了C++11中l(wèi)ambda、std::function和std:bind，下面來一起看看詳細(xì)的介紹吧。

lambda 表達(dá)式

C++11中新增了lambda 表達(dá)式這一語言特性。lambda表達(dá)式可以讓我們快速和便捷的創(chuàng)建一個(gè)”函數(shù)”。

下面是lambda表達(dá)式的語法：

[ capture-list ] { body }
[ capture-list ] ( params ) { body }
[ capture-list ] ( params ) -> ret { body }
[ capture-list ] ( params ) mutable exception attribute -> ret { body }

這其中：

• - capture-list 是需要捕獲的變量列表，用逗號(hào)分隔。其詳細(xì)說明見下文。
• - params 是lambda表達(dá)式需要的參數(shù)列表，寫法和函數(shù)參數(shù)一樣，不過這里不支持默認(rèn)參數(shù)。
• - ret 指明了lambda表達(dá)式的返回值。通過return語句，如果編譯器能夠推斷出返回值的類型?；蛘弑磉_(dá)式?jīng)]有返回值，“-> ret”可以省略。
• - body 函數(shù)體。
• - mutable 當(dāng)捕獲列表是以復(fù)制（見下文）的形式捕獲時(shí)，默認(rèn)這些復(fù)制的值是const的，除非指定了mutable。
• - exception 提供了異常的說明。
• - attribute 對(duì)于attribute的描述可以參見這里：http://en.cppreference.com/w/cpp/language/attributes，這里不多說明。

下面，我們通過經(jīng)典的Hello World示例來看一下lambda表達(dá)式：

auto lambda1 = [] {std::cout << "Hello, World!\n";};
lambda1();

這個(gè)lambda表達(dá)式將打印出字符串“Hello, World!”。

同時(shí)，我們將這個(gè)表達(dá)式賦值給“l(fā)ambda1”這個(gè)變量，然后像調(diào)用函數(shù)一樣，調(diào)用這個(gè)lambda表達(dá)式。

使用lambda表達(dá)式，可以讓我們省卻定義函數(shù)的麻煩，以inline的方式寫出代碼，這樣的代碼通常更簡(jiǎn)潔。
并且，由于閱讀代碼時(shí)不用尋找函數(shù)定義，這樣的代碼也更易讀。

下面，我們來看另外一個(gè)例子。這個(gè)例子的需求是：

分兩次，打印出一個(gè)vector集合中，所有：

1. 模 5 = 0

2. 大于 20

的數(shù)字。

現(xiàn)假設(shè)已有這個(gè)集合的定義如下：

vector<int> numbers { 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 35, 45, 50 };

我們最先想到的方法自然是定義兩個(gè)函數(shù)，分別按照上面的要求打印出需要的數(shù)字，它們的定義如下：

void printNumber1(vector<int>& numbers) {
 for (const int& i : numbers) {
 if (i % 5 == 0) {
 cout<<i<<endl;
 }
 }
}

void printNumber1(vector<int>& numbers) {
 for (const int& i : numbers) {
 if (i % 5 == 0) {
 cout<<i<<endl;
 }
 }
}

然后，我們?cè)谛枰牡胤?，調(diào)用它們：

printNumber1(numbers);
printNumber2(numbers);

這里邏輯上并沒有問題，但是：

1. 這里我們必須先定義這個(gè)函數(shù)，才能使用。而這樣的函數(shù)，可能實(shí)際上我們只會(huì)使用一次。

2. 當(dāng)工程大到一定程度，我們可能不記得每個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)（所以函數(shù)命名很重要，原諒我這里給函數(shù)起了很含糊的名字，你在實(shí)際上工程中，請(qǐng)不要這樣做），為了知道每個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，我們不得不查看函數(shù)的定義，這無疑給代碼的閱讀造成了一定的麻煩。

下面，我們來看看使用lambda表達(dá)式如何改善上面說的問題。

使用lambda表達(dá)式，我們可以這樣寫：

for_each(numbers.begin(), numbers.end(), [] (int i) {
 if(i % 5 == 0) {
 cout<<i<<endl;
 }
});

for_each(numbers.begin(), numbers.end(), [] (int i) {
 if(i > 20) {
 cout<<i<<endl;
 }
});

這里，我們不用單獨(dú)定義函數(shù)，直接以inline的方式解決了問題。并且，這段代碼一氣呵成，你很直觀的看到了執(zhí)行的邏輯。

下面，我們?cè)僭敿?xì)看一下lambda表達(dá)式中的捕獲列表的語法，它可能是以下幾種情況中的一種：

• [] 不捕獲任何變量
• [&] 以引用的方式捕獲所有變量
• [=] 以復(fù)制的方式捕獲所有變量
• [=, &foo] 以引用的方式捕獲foo變量，但是以復(fù)制的方式捕獲其他變量
• [bar] 以復(fù)制的方式捕獲bar變量，不再捕獲任何其他變量
• [this] 捕獲this指針
  

下面，我們?cè)僖砸粋€(gè)例子說明捕獲列表的用法。

這里，我們的需求是：

打印出一個(gè)vector<int>的所有數(shù)字之和

同樣的，我們先以函數(shù)的方式來解決這個(gè)問題，這個(gè)函數(shù)的定義可以是這樣的：

void printSum(vector<int>& numbers) {
 int sum = 0;
 for (const int& i : numbers) {
 sum += i;
 }
 cout<<sum<<endl;
}

然后，我們?cè)谛枰牡胤秸{(diào)用這個(gè)函數(shù)：

vector<int> numbers { 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 35, 45, 50 };
printSum (numbers);

而假設(shè)我們用lambda表達(dá)式來寫，這樣寫就可以了：

vector<int> numbers { 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 35, 45, 50 };
int sum = 0;
std::for_each(numbers.begin(), numbers.end(), [&sum] (const int& i) { sum += i;});
cout<<sum<<endl;

這里,我們用 [&sum]以引用的形式捕獲了sum這個(gè)變量，并且在lambda表達(dá)式中修改了這個(gè)變量。

這樣寫，是不是比定義函數(shù)的方式簡(jiǎn)潔了很多？

對(duì)于這種，能夠捕獲其定義時(shí)上下文變量的函數(shù)，我們稱之為“閉包”，下文還將提到。

std::function

上文中，對(duì)于分兩次，打印出一個(gè)vector集合中，所有：

1. 模 5 = 0

2. 大于 20

的數(shù)字。

這個(gè)需求，我們的實(shí)現(xiàn)其實(shí)還不夠好。

回頭看一下printNumber1和printNumber2這兩個(gè)函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)大部分都是重復(fù)的：它們都需要遍歷集合，都需要做if判斷，然后打印出結(jié)果。

實(shí)際上，我們?cè)陧?xiàng)目中經(jīng)常遇到這個(gè)的問題：

兩（多）個(gè)函數(shù)，有大部分的代碼都是一樣的，其中只有一兩行代碼有不一樣的地方。

其實(shí)，我們可以對(duì)這個(gè)不一樣的地方，再做一個(gè)抽象，把它們共通起來。

具體到這個(gè)例子就是：無論是“模 5 = 0”還是“大于 20”都是滿足“某種條件”。

而很自然的會(huì)想到，我們是否可以通過一個(gè)類似這樣的函數(shù)來做這個(gè)判斷：

bool func(int i)

然后實(shí)現(xiàn)兩個(gè)函數(shù)，通過函數(shù)指針的形式來完成判斷就好了。

但是，我們馬上又意識(shí)到，這兩個(gè)函數(shù)會(huì)很小，并且也是只會(huì)用一遍而已，定義一個(gè)函數(shù)又太“浪費(fèi)”了。 很自然的，我們就會(huì)想lambda。但是，lambda似乎沒法轉(zhuǎn)成函數(shù)指針。。。

C++11中，提供了一個(gè)通用的描述方法，就是std::function。 std::function可以hold住任何可以通過“()”來調(diào)用的對(duì)象，包括：

• 普通函數(shù)
• 成員函數(shù)
• lambda
• std::bind（見下文）后的結(jié)果

std::function的語法是這樣：

template <class Ret, class... Args> class function<Ret(Args...)>;

例如：function<bool (int)> filter 就表達(dá)了我們前面需要的那個(gè)函數(shù)：這個(gè)函數(shù)接受一個(gè)int值作為參數(shù)，同時(shí)返回一個(gè)bool作為判斷的結(jié)果。但同時(shí)，我們可以用lambda表達(dá)式直接傳遞進(jìn)去。

因此，上面的代碼可以改寫成這樣：

void printNumber(vector<int>& number, function<bool (int)> filter) {
 for (const int& i : number) {
 if (filter(i)) {
 cout<<i<<endl;
 }
 }
}

然后在需要的地方，這樣調(diào)用即可：

printNumber(numbers, [] (int i){ return i % 5 == 0;});
printNumber(numbers, [] (int i){ return i > 20;});

這種做法，是不是又簡(jiǎn)潔了不少？

閉包

前面提到了“閉包”這個(gè)詞，這里我們來聊一下閉包。

下面是維基百度對(duì)于閉包的定義：

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，閉包（英語：Closure），又稱詞法閉包（Lexical Closure）或函數(shù)閉包（function closures），是引用了自由變量的函數(shù)。 這個(gè)被引用的自由變量將和這個(gè)函數(shù)一同存在，即使已經(jīng)離開了創(chuàng)造它的環(huán)境也不例外。

簡(jiǎn)單來說：閉包可以記憶住創(chuàng)建它時(shí)候的那些變量。

下面，我們?cè)偻ㄟ^一個(gè)例子來說明。

現(xiàn)在，假設(shè)我們的需求是：獲取一個(gè)集合中最小和最大值，并在稍后的時(shí)候（可能是另外一個(gè)函數(shù)中）打印它們。 這里，我們常規(guī)的做法通常是：通過一個(gè)函數(shù)獲取集合的最大，最小值，然后保存住，最后在需要的時(shí)候訪問這兩個(gè)值，然后打印它們。
這樣做就會(huì)需要解決：如果保存和傳遞最大，最小這兩個(gè)值。

但實(shí)際上，這里我們可以考慮用閉包來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，讓閉包把最大，最小兩個(gè)值捕獲下來，然后在需要的地方調(diào)用就可以了。

請(qǐng)看一下下面這段代碼：

void getMinMax(vector<int>& number, function<void ()>& printer) {
 int min = number.front();
 int max = number.front();
 for (int i : number) {
 if (i < min) {
 min = i;
 }
 if (i > max) {
 max = i;
 }
 }
 printer = [=] () {
 cout << "min:" <<min<< endl;
 cout << "max:" << max << endl;
 };
}

這里，我們通過function<void ()>& printer（如果你看不懂function，請(qǐng)看上文）傳遞出這個(gè)閉包。 然后，在需要的地方，這樣即可：

function<void()> printer;
getMinMax(numbers, printer);
......

printer();

這里的printer其實(shí)是我們前面從getMinMax函數(shù)出傳出的閉包，這個(gè)閉包捕獲了min和max。我們直接傳遞這個(gè)閉包給需要的地方使用，而不用傳遞裸的兩個(gè)數(shù)值，是不是優(yōu)雅的不少？

std::bind

下面，我們?cè)俑倪M(jìn)一下需求，假設(shè)我們要

打印出vector<int>中，20<x<40范圍內(nèi)的值 ，該怎么辦？

畢竟，bool isBetween(int i, int min, int max) 這個(gè)函數(shù)可沒法對(duì)應(yīng)上

function<bool (int)> filter ?。?shù)數(shù)量就不一樣嘛。

這個(gè)時(shí)候，我們可以用 std::bind 。

std::bind的語法是這樣的：

template <class Fn, class... Args> bind (Fn&& fn, Args&&... args);
template <class Ret, class Fn, class... Args> bind (Fn&& fn, Args&&... args);

std::bind可以將調(diào)用函數(shù)時(shí)的部分參數(shù)先指定好，留下一部分在真正調(diào)用的時(shí)候確定。

（當(dāng)然，你也可以直接指定全部參數(shù)，在調(diào)用時(shí)不再指定。）

這里，isBetween中，最小，最大值其實(shí)我們是確定了的，即：20和40。而不確定的，其實(shí)是真正待判斷的數(shù)字本身，那么我們就可以這么做：

std::bind(isBetween, placeholders::_1, 20, 40);

placeholders::_1 的意思是，這里是一個(gè)占位符，在調(diào)用的時(shí)候，將實(shí)際傳遞的第一個(gè)參數(shù)放到這里。

占位符的數(shù)量可以是任意多的，像這樣：

std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, …, std::placeholders::_N。

于是乎，對(duì)于 打印出vector<int>中，20<x<40范圍內(nèi)的值 這個(gè)需求，我們?cè)诓恍薷膒rintNumber函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過定義一個(gè)isBetween函數(shù)：

bool isBetween( int i, int min, int max) {
 return i >= min && i <= max;
}

然后，再這樣就搞定了：

function<bool(int)> filter = std::bind(isBetween, placeholders::_1, 20, 40);
printNumber(numbers, filter);

當(dāng)然，你甚至可以直接把這里的兩行寫成一行。

如果你不明白這段代碼，請(qǐng)?jiān)倏匆幌聀rintNumber函數(shù)的定義：

void printNumber(vector<int>& number, function<bool (int)> filter) {
 for (const int& i : number) {
 if (filter(i)) {
  cout<<i<<endl;
 }
 }
}

這里其實(shí)調(diào)用了filter(i)這個(gè)函數(shù)對(duì)象，而這個(gè)函數(shù)對(duì)象只接受一個(gè)int值作為參數(shù)，然后返回一個(gè)bool值。

function<bool(int)> filter = std::bind(isBetween, placeholders::_1, 20, 40);

綁定之后，只缺一個(gè)int型參數(shù)，所以正好對(duì)應(yīng)得上。

如果不過癮，我們?cè)賮砜匆粋€(gè)bind的例子。

我們常常需要在程序中，調(diào)用一些用戶傳過來的回調(diào)函數(shù)。而在回調(diào)函數(shù)中，用戶常常會(huì)需要記錄一些狀態(tài)，于是常常希望通過一個(gè)對(duì)象的成員函數(shù)傳給過來作為回調(diào)函數(shù)。但是在C++中，這樣做是很麻煩的一個(gè)事情。因?yàn)?，回調(diào)函數(shù)的類型我們很難定義。 但是，結(jié)合std::function和std::bind，一切變得容易多了。 結(jié)合前面的例子，現(xiàn)在就假設(shè)我們的回調(diào)函數(shù)是需要打印集合中的最大，最小值。

這里假設(shè)我們是通過一個(gè)類來記錄和打印值的，這個(gè)類的定義是這樣的：

class Printer {
private:
 int min, max;
public:
 Printer(int x, int y) {
 min = x;
 max = y;
 }
 
 void print() {
 cout << "min:" << min << endl;
 cout << "max:" << max << endl;
 }
};

由于回調(diào)函數(shù)不需要參數(shù)，因此使用回調(diào)函數(shù)的代碼是這樣的：

void usingCallback(function<void ()> print) {
 print();
}

然后，我們可以通過下面的方法來調(diào)用print函數(shù)

Printer printer = Printer(10, 50);
function<void ()> print = bind(&Printer::print, printer);
usingCallback(print);

成員函數(shù)其實(shí)是類中的方法綁定到一個(gè)對(duì)象上，然后執(zhí)行調(diào)用。這里的代碼很直觀的表達(dá)了這個(gè)關(guān)系。

lambda表達(dá)式是如何實(shí)現(xiàn)的

lambda表達(dá)式是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

其實(shí)是編譯器為我們了創(chuàng)建了一個(gè)類，這個(gè)類重載了()，讓我們可以像調(diào)用函數(shù)一樣使用。所以，你寫的lambda表達(dá)式和真正的實(shí)現(xiàn)，是這個(gè)樣子的：

而對(duì)于捕獲變量的lambda表達(dá)式來說，編譯器在創(chuàng)建類的時(shí)候，通過成員函數(shù)的形式保存了需要捕獲的變量，所以看起來是這個(gè)樣子：

似乎也沒有什么神奇的地方。但正是由于編譯器幫我們實(shí)現(xiàn)了細(xì)節(jié)，使我們的代碼變得優(yōu)雅和簡(jiǎn)潔了許多。

參考資料

http://www.cprogramming.com/c++11/c++11-lambda-closures.html

http://www.drdobbs.com/cpp/lambdas-in-c11/240168241

https://en.wikipedia.org/wiki/Closure_(computer_programming)

http://www.jellythink.com/archives/771

http://en.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/function

https://en.wikipedia.org/wiki/First-class_function

https://blog.feabhas.com/2014/03/demystifying-c-lambdas/

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家學(xué)習(xí)或者工作能帶來一定的幫助，如果有疑問大家可以留言交流。謝謝大家對(duì)億速云的支持。