c++11 新特性之 std::function 和 lambda 表达式

c++11新增了std::function、std::bind、lambda表达式等封装使函数调用更加方便。

std::function

讲std::function前首先需要了解下什么是可调用对象

满足以下条件之一就可称为可调用对象：

• 是一个函数指针
• 是一个具有operator()成员函数的类对象(传说中的仿函数)，lambda表达式
• 是一个可被转换为函数指针的类对象
• 是一个类成员(函数)指针
• bind表达式或其它函数对象
  而std::function就是上面这种可调用对象的封装器，可以把std::function看做一个函数对象，用于表示函数这个抽象概念。std::function的实例可以存储、复制和调用任何可调用对象，存储的可调用对象称为std::function的目标，若std::function不含目标，则称它为空，调用空的std::function的目标会抛出std::bad_function_call异常。

使用参考如下实例代码：

std::function<void(int)> f; // 这里表示function的对象f的参数是int，返回值是void
#include <functional>
#include <iostream>

struct Foo {
    Foo(int num) : num_(num) {}
    void print_add(int i) const { std::cout << num_ + i << '\n'; }
    int num_;
};

void print_num(int i) { std::cout << i << '\n'; }

struct PrintNum {
    void operator()(int i) const { std::cout << i << '\n'; }
};

int main() {
    // 存储自由函数
    std::function<void(int)> f_display = print_num;
    f_display(-9);

    // 存储 lambda
    std::function<void()> f_display_42 = []() { print_num(42); };
    f_display_42();

    // 存储到 std::bind 调用的结果
    std::function<void()> f_display_31337 = std::bind(print_num, 31337);
    f_display_31337();

    // 存储到成员函数的调用
    std::function<void(const Foo&, int)> f_add_display = &Foo::print_add;
    const Foo foo(314159);
    f_add_display(foo, 1);
    f_add_display(314159, 1);

    // 存储到数据成员访问器的调用
    std::function<int(Foo const&)> f_num = &Foo::num_;
    std::cout << "num_: " << f_num(foo) << '\n';

    // 存储到成员函数及对象的调用
    using std::placeholders::_1;
    std::function<void(int)> f_add_display2 = std::bind(&Foo::print_add, foo, _1);
    f_add_display2(2);

    // 存储到成员函数和对象指针的调用
    std::function<void(int)> f_add_display3 = std::bind(&Foo::print_add, &foo, _1);
    f_add_display3(3);

    // 存储到函数对象的调用
    std::function<void(int)> f_display_obj = PrintNum();
    f_display_obj(18);
}

从上面可以看到std::function的使用方法，当给std::function填入合适的参数表和返回值后，它就变成了可以容纳所有这一类调用方式的函数封装器。std::function还可以用作回调函数，或者在C++里如果需要使用回调那就一定要使用std::function，特别方便，这方面的使用方式大家可以读下我之前写的关于线程池和定时器相关的文章。

std::bind

使用std::bind可以将可调用对象和参数一起绑定，绑定后的结果使用std::function进行保存，并延迟调用到任何我们需要的时候。

std::bind通常有两大作用：

• 将可调用对象与参数一起绑定为另一个std::function供调用
• 将n元可调用对象转成m(m < n)元可调用对象，绑定一部分参数，这里需要使用std::placeholders

具体示例：

#include <functional>
#include <iostream>
#include <memory>

void f(int n1, int n2, int n3, const int& n4, int n5) {
    std::cout << n1 << ' ' << n2 << ' ' << n3 << ' ' << n4 << ' ' << n5 << std::endl;
}

int g(int n1) { return n1; }

struct Foo {
    void print_sum(int n1, int n2) { std::cout << n1 + n2 << std::endl; }
    int data = 10;
};

int main() {
    using namespace std::placeholders;  // 针对 _1, _2, _3...

    // 演示参数重排序和按引用传递
    int n = 7;
    // （ _1 与 _2 来自 std::placeholders ，并表示将来会传递给 f1 的参数）
    auto f1 = std::bind(f, _2, 42, _1, std::cref(n), n);
    n = 10;
    f1(1, 2, 1001);  // 1 为 _1 所绑定， 2 为 _2 所绑定，不使用 1001
                     // 进行到 f(2, 42, 1, n, 7) 的调用

    // 嵌套 bind 子表达式共享占位符
    auto f2 = std::bind(f, _3, std::bind(g, _3), _3, 4, 5);
    f2(10, 11, 12);  // 进行到 f(12, g(12), 12, 4, 5); 的调用

    // 绑定指向成员函数指针
    Foo foo;
    auto f3 = std::bind(&Foo::print_sum, &foo, 95, _1);
    f3(5);

    // 绑定指向数据成员指针
    auto f4 = std::bind(&Foo::data, _1);
    std::cout << f4(foo) << std::endl;

    // 智能指针亦能用于调用被引用对象的成员
    std::cout << f4(std::make_shared<Foo>(foo)) << std::endl;
}

lambda表达式

lambda表达式可以说是c++11引用的最重要的特性之一，它定义了一个匿名函数，可以捕获一定范围的变量在函数内部使用，一般有如下语法形式：

auto func = [capture] (params) opt -> ret { func_body; };

其中func是可以当作lambda表达式的名字，作为一个函数使用，capture是捕获列表，params是参数表，opt是函数选项(mutable之类)， ret是返回值类型，func_body是函数体。

一个完整的lambda表达式：

auto func1 = [](int a) -> int { return a + 1; };
auto func2 = [](int a) { return a + 2; };
cout << func1(1) << " " << func2(2) << endl;

如上代码，很多时候lambda表达式返回值是很明显的，c++11允许省略表达式的返回值定义。

lambda表达式允许捕获一定范围内的变量：

• []不捕获任何变量
• [&]引用捕获，捕获外部作用域所有变量，在函数体内当作引用使用
• [=]值捕获，捕获外部作用域所有变量，在函数内内有个副本使用
• [=, &a]值捕获外部作用域所有变量，按引用捕获a变量
• [a]只值捕获a变量，不捕获其它变量
• [this]捕获当前类中的this指针

lambda表达式示例代码：

int a = 0;
auto f1 = [=](){ return a; }; // 值捕获a
cout << f1() << endl;

auto f2 = [=]() { return a++; }; // 修改按值捕获的外部变量，error
auto f3 = [=]() mutable { return a++; };

代码中的f2是编译不过的，因为我们修改了按值捕获的外部变量，其实lambda表达式就相当于是一个仿函数，仿函数是一个有operator()成员函数的类对象，这个operator()默认是const的，所以不能修改成员变量，而加了mutable，就是去掉const属性。

还可以使用lambda表达式自定义stl的规则，例如自定义sort排序规则：

struct A {
    int a;
    int b;
};

int main() {
    vector<A> vec;
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](const A &left, const A &right) { return left.a < right.a; });
}

总结

std::function和std::bind使得我们平时编程过程中封装函数更加的方便，而lambda表达式将这种方便发挥到了极致，可以在需要的时间就地定义匿名函数，不再需要定义类或者函数等，在自定义STL规则时候也非常方便，让代码更简洁，更灵活，提高开发效率。