【轉】C++ function、bind以及lamda表達式

本文是C++0x系列的第四篇，主要是內容是C++0x中新增的lambda表達式, function對象和bind機制。之所以把這三塊放在一起講，是因為這三塊之間有着非常密切的關系，通過對比學習，加深對這部分內容的理解。在開始之間，首先要講一個概念，closure（閉包），這個概念是理解lambda的基礎。下面我們來看看wikipedia上對於計算機領域的closure的定義：

A closure (also lexical closure, function closure or function value)is a function together with
a referencing environment for the non-local variables of that function.

上面的大義是說，closure是一個函數和它所引用的非本地變量的上下文環境的集合。從定義我們可以得知，closure可以訪問在它定義范圍之外的變量，也即上面提到的non-local vriables，這就大大增加了它的功力。關於closure的最重要的應用就是回調函數，這也是為什么這里把function, bind和lambda放在一起講的主要原因，它們三者在使用回調函數的過程中各顯神通。下面就為大家一步步接開這三者的神秘面紗。

• 1. function

  我們知道，在C++中，可調用實體主要包括函數，函數指針，函數引用，可以隱式轉換為函數指定的對象，或者實現了opetator()的對象（即C++98中的functor)。C++0x中，新增加了一個std::function對象，std::function對象是對C++中現有的可調用實體的一種類型安全的包裹（我們知道像函數指針這類可調用實體，是類型不安全的）。我們來看幾個關於function對象的例子：

  #include < functional>
  
  std::function< size_t (const char*) > print_func;
  
  /// normal function -> std::function object
  size_t CPrint(const char*) { ... }
  print_func = CPrint;
  print_func("hello world"):
  
  /// functor -> std::function object
  class CxxPrint
  {
  public:
      size_t operator()(const char*) { ... }
  };
  CxxPrint p;
  print_func = p;
  print_func("hello world");

•     在上面的例子中，我們把一個普通的函數和一個functor賦值給了一個std::function對象，然后我們通過該對象來調用。其它的C++中的可調用實體都可以像上面一樣來使用。通過std::function的包裹，我們可以像傳遞普通的對象一樣來傳遞可調用實體，這樣就很好解決了類型安全的問題。了解了std::function的基本用法，下面我們來看一些使用過程中的注意事項：

  • （1）關於可調用實體轉換為std::function對象需要遵守以下兩條原則：
    a. 轉換后的std::function對象的參數能轉換為可調用實體的參數
    b. 可高用實體的返回值能轉換為std::function對象的（這里注意，所有的可調用實體的返回值都與返回void的std::function對象的返回值兼容）。
  • （2）std::function對象可以refer to滿足（1）中條件的任意可調用實體
  • （3）std::function object最大的用處就是在實現函數回調，使用者需要注意，它不能被用來檢查相等或者不相等
• 2. bind

  bind是這樣一種機制，它可以預先把指定可調用實體的某些參數綁定到已有的變量，產生一個新的可調用實體，這種機制在回調函數的使用過程中也頗為有用。C++98中，有兩個函數bind1st和bind2nd，它們分別可以用來綁定functor的第一個和第二個參數，它們都是只可以綁定一個參數。各種限制，使得bind1st和bind2nd的可用性大大降低。C++0x中，提供了std::bind，它綁定的參數的個數不受限制，綁定的具體哪些參數也不受限制，由用戶指定，這個bind才是真正意義上的綁定，有了它，bind1st和bind2nd就沒啥用武之地了，因此C++0x中不推薦使用bind1st和bind2nd了，都是deprecated了。下面我們通過例子，來看看bind的用法：

  #include < functional>
  
  int Func(int x, int y);
  auto bf1 = std::bind(Func, 10, std::placeholders::_1);
  bf1(20); ///< same as Func(10, 20)
  
  class A
  {
  public:
      int Func(int x, int y);
  };
  
  A a;
  auto bf2 = std::bind(&A::Func, a, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
  bf2(10, 20); ///< same as a.Func(10, 20)
  
  std::function< int(int)> bf3 = std::bind(&A::Func, a, std::placeholders::_1, 100);
  bf3(10); ///< same as a.Func(10, 100)

•     上面的例子中，bf1是把一個兩個參數普通函數的第一個參數綁定為10，生成了一個新的一個參數的可調用實體體; bf2是把一個類成員函數綁定了類對象，生成了一個像普通函數一樣的新的可調用實體; bf3是把類成員函數綁定了類對象和第二個參數，生成了一個新的std::function對象。看懂了上面的例子，下面我們來說說使用bind需要注意的一些事項：

  • （1）bind預先綁定的參數需要傳具體的變量或值進去，對於預先綁定的參數，是pass-by-value的
  • （2）對於不事先綁定的參數，需要傳std::placeholders進去，從_1開始，依次遞增。placeholder是pass-by-reference的
  • （3）bind的返回值是可調用實體，可以直接賦給std::function對象
  • （4）對於綁定的指針、引用類型的參數，使用者需要保證在可調用實體調用之前，這些參數是可用的
  • （5）類的this可以通過對象或者指針來綁定
• 3. lambda

  講完了function和bind, 下面我們來看lambda。有python基礎的朋友，相信對於lambda不會陌生。看到這里的朋友，請再回憶一下前面講的closure的概念，lambda就是用來實現closure的東東。它的最大用途也是在回調函數，它和前面講的function和bind有着千絲萬縷的關系。下面我們先通過例子來看看lambda的廬山真面目：

  vector< int> vec;
  /// 1. simple lambda
  auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [](int i) { return i > 50; });
  class A
  {
  public:
      bool operator(int i) const { return i > 50; }
  };
  auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), A());
  
  /// 2. lambda return syntax
  std::function< int(int)> square = [](int i) -> int { return i * i; }
  
  /// 3. lambda expr: capture of local variable
  {
      int min_val = 10;
      int max_val = 1000;
  
      auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [=](int i) {
          return i > min_val && i < max_val;
          });
  
      auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [&](int i) {
          return i > min_val && i < max_val;
          });
  
      auto it = std::find_if(vec.begin(), vec.end(), [=, &max_value](int i) {
          return i > min_val && i < max_val;
          });
  }
  
  /// 4. lambda expr: capture of class member
  class A
  {
  public:
      void DoSomething();
  
  private:
      std::vector<int>  m_vec;
      int               m_min_val;
      int               m_max_va;
  };
  
  /// 4.1 capture member by this
  void A::DoSomething()
  {
      auto it = std::find_if(m_vec.begin(), m_vec.end(), [this](int i){
          return i > m_min_val && i < m_max_val; });
  }
  
  /// 4.2 capture member by default pass-by-value
  void A::DoSomething()
  {
      auto it = std::find_if(m_vec.begin(), m_vec.end(), [=](int i){
          return i > m_min_val && i < m_max_val; });
  }
  
  /// 4.3 capture member by default pass-by-reference
  void A::DoSomething()
  {
      auto it = std::find_if(m_vec.begin(), m_vec.end(), [&](int i){
          return i > m_min_val && i < m_max_val; });
  }

   

  上面的例子基本覆蓋到了lambda表達的基本用法。我們一個個來分析每個例子（標號與上面代碼注釋中1，2，3，4一致）：

  • （1）這是最簡單的lambda表達式，可以認為用了lambda表達式的find_if和下面使用了functor的find_if是等價的
  • （2）這個是有返回值的lambda表達式，返回值的語法如上面所示，通過->寫在參數列表的括號后面。返回值在下面的情況下是可以省略的：
    a. 返回值是void的時候
    b. lambda表達式的body中有return expr，且expr的類型與返回值的一樣
  • （3）這個是lambda表達式capture本地局部變量的例子，這里三個小例子，分別是capture時不同的語法，第一個小例子中=表示capture的變量pass-by-value, 第二個小拿出中&表示capture的變量pass-by-reference，第三個小例子是說指定了default的pass-by-value, 但是max_value這個單獨pass-by-reference
  • （4）這個是lambda表達式capture類成員變量的例子，這里也有三個小例子。第一個小例子是通過this指針來capture成員變量，第二、三個是通過缺省的方式，只不過第二個是通過pass-by-value的方式，第三個是通過pass-by-reference的

  分析完了上面的例子，我們來總結一下關於lambda表達式使用時的一些注意事項：

  • （1）lambda表達式要使用引用變量，需要遵守下面的原則：
    a. 在調用上下文中的局部變量，只有capture了才可以引用（如上面的例子3所示）
    b. 非本地局部變量可以直接引用
  • （2）使用者需要注意，closure（lambda表達式生成的可調用實體）引用的變量（主要是指針和引用），在closure調用完成之前，必須保證可用，這一點和上面bind綁定參數之后生成的可調用實體是一致的
  • （3）關於lambda的用處，就是用來生成closure，而closure也是一種可調用實體，所以可以通過std::function對象來保存生成的closure，也可以直接用auto

  通過上面的介紹，我們基本了解了function, bind和lambda的用法，把三者結合起來，C++將會變得非常強大，有點函數式編程的味道了。最后，這里再補充一點，對於用bind來生成function和用lambda表達式來生成function, 通常情況下兩種都是ok的，但是在參數多的時候,bind要傳入很多的std::placeholders，而且看着沒有lambda表達式直觀，所以通常建議優先考慮使用lambda表達式。