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漫话C++0x(四) —- function, bind和lambda

2011年10月23日 发表评论 阅读评论

本文是C++0x系列的第四篇,主要是内容是C++0x中新增的lambda表达式, function对象和bind机制。之所以把这三块放在一起讲,是因为这三块之间有着非常密切的关系,通过对比学习,加深对这部分内容的理解。在开始之间,首先要讲一个概念,closure(闭包),这个概念是理解lambda的基础。下面我们来看看wikipedia上对于计算机领域的closure的定义:

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.

上面的大义是说,closure是一个函数和它所引用的非本地变量的上下文环境的集合。从定义我们可以得知,closure可以访问在它定义范围之外的变量,也即上面提到的non-local vriables,这就大大增加了它的功力。关于closure的最重要的应用就是回调函数,这也是为什么这里把function, bind和lambda放在一起讲的主要原因,它们三者在使用回调函数的过程中各显神通。下面就为大家一步步接开这三者的神秘面纱。

  • 1. function
  • 我们知道,在C++中,可调用实体主要包括函数,函数指针,函数引用,可以隐式转换为函数指定的对象,或者实现了opetator()的对象(即C++98中的functor)。C++0x中,新增加了一个std::function对象,std::function对象是对C++中现有的可调用实体的一种类型安全的包裹(我们知道像函数指针这类可调用实体,是类型不安全的)。我们来看几个关于function对象的例子:

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    #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,我们把一个普通的函数和一个functor赋值给了一个std::function对象,然后我们通过该对象来调用。其它的C++中的可调用实体都可以像上面一样来使用。通过std::function的包裹,我们可以像传递普通的对象一样来传递可调用实体,这样就很好解决了类型安全的问题。了解了std::function的基本用法,下面我们来看一些使用过程中的注意事项:

    • (1)关于可调用实体转换为std::function对象需要遵守以下两条原则:
      a. 转换后的std::function对象的参数能转换为可调用实体的参数
      b. 可高用实体的返回值能转换为std::function对象的(这里注意一下,所有的可调用实体的返回值都与返回void的std::function对象的返回值兼容)。
    • (2)std::function对象可以refer to满足(1)中条件的任意可调用实体
    • (3)std::function object最大的用处就是在实现函数回调,使用者需要注意,它不能被用来检查相等或者不相等
  • 2. bind
  • bind是这样一种机制,它可以预先把指定可调用实体的某些参数绑定到已有的变量,产生一个新的可调用实体,这种机制在回调函数的使用过程中也颇为有用。C++98中,有两个函数bind1st和bind2nd,它们分别可以用来绑定functor的第一个和第二个参数,它们都是只可以绑定一个参数。各种限制,使得bind1st和bind2nd的可用性大大降低。C++0x中,提供了std::bind,它绑定的参数的个数不受限制,绑定的具体哪些参数也不受限制,由用户指定,这个bind才是真正意义上的绑定,有了它,bind1st和bind2nd就没啥用武之地了,因此C++0x中不推荐使用bind1st和bind2nd了,都是deprecated了。下面我们通过例子,来看看bind的用法:

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    #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是把一个两个参数普通函数的第一个参数绑定为10,生成了一个新的一个参数的可调用实体体; bf2是把一个类成员函数绑定了类对象,生成了一个像普通函数一样的新的可调用实体; bf3是把类成员函数绑定了类对象和第二个参数,生成了一个新的std::function对象。看懂了上面的例子,下面我们来说说使用bind需要注意的一些事项:

    • (1)bind预先绑定的参数需要传具体的变量或值进去,对于预先绑定的参数,是pass-by-value的
    • (2)对于不事先绑定的参数,需要传std::placeholders进去,从_1开始,依次递增。placeholder是pass-by-reference的
    • (3)bind的返回值是可调用实体,可以直接赋给std::function对象
    • (4)对于绑定的指针、引用类型的参数,使用者需要保证在可调用实体调用之前,这些参数是可用的
    • (5)类的this可以通过对象或者指针来绑定
  • 3. lambda
  • 讲完了function和bind, 下面我们来看lambda。有python基础的朋友,相信对于lambda不会陌生。看到这里的朋友,请再回忆一下前面讲的closure的概念,lambda就是用来实现closure的东东。它的最大用途也是在回调函数,它和前面讲的function和bind有着千丝万缕的关系。下面我们先通过例子来看看lambda的庐山真面目:

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    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; });
    }

    上面的例子基本覆盖到了lambda表达的基本用法。我们一个个来分析每个例子(标号与上面代码注释中1,2,3,4一致):

    • (1)这是最简单的lambda表达式,可以认为用了lambda表达式的find_if和下面使用了functor的find_if是等价的
    • (2)这个是有返回值的lambda表达式,返回值的语法如上面所示,通过->写在参数列表的括号后面。返回值在下面的情况下是可以省略的:
      a. 返回值是void的时候
      b. lambda表达式的body中有return expr,且expr的类型与返回值的一样
    • (3)这个是lambda表达式capture本地局部变量的例子,这里三个小例子,分别是capture时不同的语法,第一个小例子中=表示capture的变量pass-by-value, 第二个小拿出中&表示capture的变量pass-by-reference,第三个小例子是说指定了default的pass-by-value, 但是max_value这个单独pass-by-reference
    • (4)这个是lambda表达式capture类成员变量的例子,这里也有三个小例子。第一个小例子是通过this指针来capture成员变量,第二、三个是通过缺省的方式,只不过第二个是通过pass-by-value的方式,第三个是通过pass-by-reference的

    分析完了上面的例子,我们来总结一下关于lambda表达式使用时的一些注意事项:

    • (1)lambda表达式要使用引用变量,需要遵守下面的原则:
      a. 在调用上下文中的局部变量,只有capture了才可以引用(如上面的例子3所示)
      b. 非本地局部变量可以直接引用
    • (2)使用者需要注意,closure(lambda表达式生成的可调用实体)引用的变量(主要是指针和引用),在closure调用完成之前,必须保证可用,这一点和上面bind绑定参数之后生成的可调用实体是一致的
    • (3)关于lambda的用处,就是用来生成closure,而closure也是一种可调用实体,所以可以通过std::function对象来保存生成的closure,也可以直接用auto

    通过上面的介绍,我们基本了解了function, bind和lambda的用法,把三者结合起来,C++将会变得非常强大,有点函数式编程的味道了。最后,这里再补充一点,对于用bind来生成function和用lambda表达式来生成function, 通常情况下两种都是ok的,但是在参数多的时候,bind要传入很多的std::placeholders,而且看着没有lambda表达式直观,所以通常建议优先考虑使用lambda表达式。

    分类: 程序人生 标签: , , , , ,
    1. 观雨
      2011年10月28日19:10 | #1

      都几天了,看了一次没更新再看还是没更新,期待后续!另外不知道现在有哪些C++编译器对C++0x标准支持得比较好的?

    2. 2011年10月28日19:33 | #2

      呵呵,平时上班比较忙,基本保持一周更新一篇的频率吧。
      这里是gcc对C++0x支持的一些情况,感兴趣可以看一下:http://gcc.gnu.org/projects/cxx0x.html
      @观雨

    3. joeyan
      2011年11月3日21:27 | #3

      看了一遍,没看太懂。。。55555555。。。

    4. 2011年11月4日12:30 | #4

      杯具,看来写得还不够通俗。。@joeyan

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