深入浅出闭包

news2024/9/23 7:19:53

目录

一、闭包概念

二、重载operator()

三、lambda表达式

3.1 lambda表达式介绍

3.2 lambda表达式语法

3.2.1 [capture-list]捕捉列表

3.2.2(parameters)：参数列表

3.2.3 mutable关键字

3.2.4 ->returntype：返回值类型

3.2.5 {statement}：函数体

3.2.6 注意事项

3.3 lambda表达式实现原理

四、包装器

4.1 function

4.1.1 使用场景

 4.1.2 包装类的成员函数

4.2 bind

4.2.1 调整参数个数

4.2.2 调整参数顺序

一、闭包概念

闭包有很多种定义。其中一种说法是，闭包是带有上下文的函数(即有状态的函数)。也有人认为闭包是能够读取其他函数内部变量的函数。

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，就形成了闭包，内部包含static变量的函数不是闭包,因为static变量不能捆绑。你不能捆绑不同的 static 变量，这个在编译时已经确定了。

闭包的状态捆绑, 必须发生在运行时。

在C++中，闭包有三种实现方式:

1. 重载operator()函数 （即实现仿函数）

2. lambda表达式

3. 包装器（即function和bind）

二、重载operator()

因为闭包是一个函数+状态， 这个状态通过隐含的 this 指针传入，所以闭包必然是一个函数对象。因为成员变量就是极好的用于保存状态的工具，因此实现 operator() 运算符重载，该类的对象就能作为闭包使用。默认传入的 this 指针提供了访问成员变量的途径。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
using namespace std;
struct Goods{
    Goods(const char* str, double price, int evaluate)
        :_name(str)
        , _price(price)
        , _evaluate(evaluate){}

    string _name;
    double _price;
    int _evaluate; //评价
};
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());
    for (auto& e : v) {
        cout << e._name << "\t" << e._price << "\t" << e._evaluate << endl;
    }
    cout << endl;
    sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
    for (auto& e : v) {
        cout << e._name << "\t" << e._price << "\t" << e._evaluate << endl;
    }
}

上面的写法太复杂了，每次为了实现一段闭包代码，都要重新去写一个函数对象类，特别是这些类的命名，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

三、lambda表达式

3.1 lambda表达式介绍

lambda表达式是一个匿名对象，用于创建匿名的函数对象，以简化编程工作。当lambda表达式有捕获变量时（即这个对象有自己的数据）就形成了闭包。lambda表达式的类型在C++11中被称为"闭包类型",每一个lambda表达式会产生一个临时对象(右值)。

利用lambda表达式即可解决上述问题。

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(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){
        return g1._price < g2._price; 
    });
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){
        return g1._price > g2._price; 
    });
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){
        return g1._evaluate < g2._evaluate; 
    });
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){
        return g1._evaluate > g2._evaluate; 
    });
}

3.2 lambda表达式语法

[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { statement }

3.2.1 [capture-list]捕捉列表

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。捕捉列表描述了上下文中那些数据可以被lambda使用，以及是传值还是传引用。

3.2.2(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。

注意：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。

3.2.3 mutable关键字

在lambda表达式中，若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。使用mutable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。使用该修饰符时，参数列表不可省略(即使参数为空)。

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 0;
    //auto f1 = [=] { return a++; };             // error，修改按值捕获的外部变量
    auto f2 = [=]() mutable { 
        ++a;
        cout << "a = " << a << endl;//值传递
    };
    f2();//1
    cout << "a = " << a << endl;//0
    return 0;
}

3.2.4 ->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。

3.2.5 {statement}：函数体

在函数体内，除了可以使用其参数外，还可以使用所有捕获到的变量。

3.2.6 注意事项

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。(静态变量和全局变量都不可捕捉)

6. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同。

7. lambda表达式可以向函数指针转换。前提是lambda函数并没有捕获任何变量,且函数指针所示的函数原型必须跟lambda有着相同的调用方式。

3.3 lambda表达式实现原理

从使用方式上来看，仿函数与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。

#include <iostream>
using namespace std;
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);
    // lambda
    auto r2 = [=](double monty, int year)->double {
        return monty * rate * year;
    };
    r2(10000, 2);
    return 0;
}

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：若定义了一个lambda表达式，编译器底层会生成一个lambda_uuid类，该类中重载了operator()。所以说"匿名函数"仅仅是对上层程序员而言的，底层仍有一定的命名规则。

所以为什么lambda表达式之间不能相互赋值？
因为各个lambda表达式属于不同的类(即使看起来类型相同，但其uuid码不一致)

四、包装器

4.1 function

function包装器，也叫作适配器。C++中的function本质是一个类模板。

C++11中新增了std::function类模板,它是对C++中现有的可调用的一种类型安全的包裹,通过指定它的模板参数,用统一的方式处理lambda、函数对象、函数指针等，并允许保存和延迟执行它们

4.1.1 使用场景

#include <iostream>
using namespace std;
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,x);
}
int f(int a, int b)
{
    return a + b;
}
struct Functor
{
public:
    int operator() (int a, int b){
        return a + b;
    }
};
int main()
{
    cout << useF(f, 11.11) << endl;//函数指针
    cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;//函数对象

    //各个lambda表达式类型不同(lambda_uuid)
    cout << useF([](int a, int b)->int { return a + b; }, 11.11) << endl;
    cout << useF([](int a, int b)->int { return a + b; }, 11.11) << endl;
    cout << useF([](int a, int b)->int { return a + b; }, 11.11) << endl;
    cout << useF([](int a, int b)->int { return a + b; }, 11.11) << endl;
    cout << useF([](int a, int b)->int { return a + b; }, 11.11) << endl;
    return 0;
}

用function即可解决上述问题

#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std;
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,x);
}
int f(int a, int b)
{
    return a + b;
}
struct Functor
{
public:
    int operator() (int a, int b){
        return a + b;
    }
};
int main()
{
    std::function<int(int, int)> func1 = f;
    cout << useF(func1,11.11) << endl;
    std::function<int(int, int)> func2 = Functor();
    cout << useF(func2, 11.11) << endl;
    std::function<int(int, int)> func3 = [](int a, int b)->int { return a + b; };
    cout << useF(func3, 11.11) << endl;
    std::function<int(int, int)> func4 = [](int a, int b)->int { return a + b; };
    cout << useF(func4, 11.11) << endl;
    return 0;
}

 4.1.2 包装类的成员函数

#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std;
class Plus
{
public:
    static int plusi(int a, int b){
        return a + b;
    }
    double plusd(double a, double b){
        return a + b;
    }
};
int main()
{
    std::function<int(int, int)> func4 = &Plus::plusi;//静态成员函数
    cout << func4(1, 2) << endl;
    std::function<double(Plus, double, double)> func5 = &Plus::plusd;//普通成员函数
    cout << func5(Plus(), 1.1, 2.2) << endl;
    return 0;
}

4.2 bind

bind通过把外部变量和函数绑定在一起实现闭包。

std::bind函数定义在<functional>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，通过绑定一些参数，返回一个接收M个参数的新函数(即调整参数个数)。同时，使用std::bind函数还可以实现调整参数顺序等操作。

 

4.2.1 调整参数个数

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

int Plus(int a, int b){
	return a + b;
}

int Mul(int a, int b){
	return a * b;
}

class Sub
{
public:
	int sub(int a, int b){
		return a - b;
	}
};

int main()
{
    //无法用同种function包装器接收
	function<int(int, int)> funcPlus = Plus;
	function<int(Sub, int, int)> funcSub = &Sub::sub;
	function<int(int, int)> funcMul = Mul;

    
    //通过bind调整Sub参数个数
	map<string, function<int(int, int)>> opFuncMap =
	{
		{ "+", Plus},
		{ "-", bind(&Sub::sub, Sub(), placeholders::_1, placeholders::_2)},
		{ "*", Mul}
	};

	cout << opFuncMap["+"](1, 2) << endl;
	cout << opFuncMap["-"](1, 2) << endl;
	cout << opFuncMap["*"](1, 2) << endl;

	return 0;
}

4.2.2 调整参数顺序

调整参数顺序这个功能的使用场景较少。

#include <iostream>
using namespace std;

int Div(int a, int b){
	return a / b;
}

int main()
{
	int x = 2, y = 10;
	cout << Div(x, y) << endl;
	function<int(int, int)> bindFunc = bind(Div, placeholders::_2, placeholders::_1);
	cout << bindFunc(x, y) << endl;

	return 0;
}

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