小彭老师带你学函数式编程
为什么需要函数？
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
int s = 0;
for (int i = 0; i < a.size(); i++) {
s += a[i];
}
fmt::println("sum = {}", s);
return 0;
}
这是一个计算数组求和的简单程序。
但是，他只能计算数组 a 的求和，无法复用。
如果我们有另一个数组 b 也需要求和的话，就得把整个求和的 for 循环重新写一遍：
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
int s = 0;
for (int i = 0; i < a.size(); i++) {
s += a[i];
}
fmt::println("sum of a = {}", s);
std::vector<int> b = {5, 6, 7, 8};
s = 0;
for (int i = 0; i < a.size(); i++) {
s += b[i];
}
fmt::println("sum of b = {}", s);
return 0;
}
这就出现了程序设计的大忌：代码重复。
例如，你有吹空调的需求，和充手机的需求。你为了满足这两个需求，购买了两台发电机，分别为空调和手机供电。第二天，你又产生了玩电脑需求，于是你又购买一台发电机，专为电脑供电……真是浪费！
重复的代码不仅影响代码的可读性，也增加了维护代码的成本。
- 看起来乱糟糟的，信息密度低，让人一眼看不出代码在干什么的功能
- 很容易写错，看走眼，难调试
- 复制粘贴过程中，容易漏改，比如这里的
s += b[i]可能写成s += a[i]而自己不发现 - 改起来不方便，当我们的需求变更时，需要多处修改，比如当我需要改为计算乘积时，需要把两个地方都改成
s *= - 改了以后可能漏改一部分，留下 Bug 隐患
- 敏捷开发需要反复修改代码，比如你正在调试
+=和-=的区别，看结果变化，如果一次切换需要改多处，就影响了调试速度
狂想：没有函数的世界？
如果你还是喜欢“一本道”写法的话，不妨想想看，完全不用任何标准库和第三方库的函数和类，把
fmt::println和std::vector这些函数全部拆解成一个个系统调用。那这整个程序会有多难写？
int main() {
#ifdef _WIN32
int *a = (int *)VirtualAlloc(NULL, 4096, MEM_COMMIT, PAGE_EXECUTE_READWRITE);
#else
int *a = (int *)mmap(NULL, 4 * sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);
#endif
a[0] = 1;
a[1] = 2;
a[2] = 3;
a[3] = 4;
int s = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
s += a[i];
}
char buffer[64];
buffer[0] = 's';
buffer[1] = 'u';
buffer[2] = 'm';
buffer[3] = ' ';
buffer[4] = '=';
buffer[5] = ' '; // 例如，如果要修改此处的提示文本，甚至需要修改后面的 len 变量...
int len = 6;
int x = s;
do {
buffer[len++] = '0' + x % 10;
x /= 10;
} while (x);
buffer[len++] = '\n';
#ifdef _WIN32
WriteFile(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE), buffer, len, NULL, NULL);
#else
write(1, buffer, len);
#endif
int *b = (int *)a;
b[0] = 4;
b[1] = 5;
b[2] = 6;
b[3] = 7;
int s = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
s += b[i];
}
len = 6;
x = s;
do {
buffer[len++] = '0' + x % 10;
x /= 10;
} while (x);
buffer[len++] = '\n';
#ifdef _WIN32
WriteFile(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE), buffer, len, NULL, NULL);
#else
write(1, buffer, len);
#endif
#ifdef _WIN32
VirtualFree(a, 0, MEM_RELEASE);
#else
munmap(a);
#endif
return 0;
}
不仅完全没有可读性、可维护性，甚至都没有可移植性。
除非你只写应付导师的“一次性”程序，一旦要实现复杂的业务需求，不可避免的要自己封装函数或类。网上所有鼓吹“不封装”“设计模式是面子工程”的反智言论，都是没有做过大型项目的。
设计模式追求的是“可改”而不是“可读”！
很多设计模式教材片面强调可读性，仿佛设计模式就是为了“优雅”“高大上”“美学”？使得很多人认为，“我这个是自己的项目，不用美化给领导看”而拒绝设计模式。实际上设计模式的主要价值在于方便后续修改*！
与建筑、绘画等领域不同，一次交付完毕就可以几乎永久使用。而软件开发是一个持续的过程，每次需求变更，都导致代码需要修改。开发人员几乎需要一直围绕着软件代码，不断的修改。调查表明，程序员 90% 的时间花在改代码上，写代码只占 10%。
如果我们能在写代码阶段，就把程序准备得易于后续修改，那就可以在后续 90% 的改代码阶段省下无数时间。
如何让代码易于修改？前人总结出一系列常用的写法，这类写法有助于让后续修改更容易，各自适用于不同的场合，这就是设计模式。
提升可维护性最基础的一点，就是避免重复！
当你有很多地方出现重复的代码时，一旦需要涉及修改这部分逻辑时，就需要到每一个出现了这个逻辑的代码中，去逐一修改。
不过，现实中并没有频繁改名字的需求，这说明：
- 对于不常修改的东西，可以容忍一定的重复。
- 越是未来有可能修改的，就越需要设计模式降重！
例如数学常数 PI = 3.1415926535897，这辈子都不可能出现修改的需求，那写死也没关系。如果要把 PI 定义成宏，只是出于“记不住”“写起来太长了”“复制粘贴麻烦”。所以对于 PI 这种不会修改的东西，降重只是增加可读性，而不是可修改性。
但是，不要想当然！需求的千变万化总是超出你的想象。
例如你做了一个“愤怒的小鸟”游戏，需要用到重力加速度 g = 9.8，你想当然认为 g 以后不可能修改。老板也信誓旦旦向你保证：“没事，重力加速度不会改变。”你就写死在代码里了。
没想到，“愤怒的小鸟”老板突然要求你加入“月球章”关卡，在这些关卡中，重力加速度是 g = 1.6。
如果你一开始就已经把 g 提取出来，定义为常量：
struct Level {
const double g = 9.8;
void physics_sim() {
bird.v = g * t; // 假装这里是物理仿真程序
pig.v = g * t; // 假装这里是物理仿真程序
}
};
那么要支持月球关卡，只需修改一处就可以了。
struct Level {
double g;
Level(Chapter chapter) {
if (chapter == ChapterMoon) {
g = 1.6;
} else {
g = 9.8;
}
}
void physics_sim() {
bird.v = g * t; // 无需任何修改，自动适应了新的非常数 g
pig.v = g * t; // 无需任何修改，自动适应了新的非常数 g
}
};
用函数封装
函数就是来帮你解决代码重复问题的！要领：
把共同的部分提取出来，把不同的部分作为参数传入。
void sum(std::vector<int> const &v) {
int s = 0;
for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
s += v[i];
}
fmt::println("sum of v = {}", s);
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
sum(a);
std::vector<int> b = {5, 6, 7, 8};
sum(b);
return 0;
}
这样 main 函数里就可以只关心要求和的数组，而不用关心求和具体是如何实现的了。事后我们可以随时把 sum 的内容偷偷换掉，换成并行的算法，main 也不用知道。这就是封装，可以把重复的公共部分抽取出来，方便以后修改代码。
要封装，但不要耦合
但是！这段代码仍然有个问题，我们把 sum 求和的结果，直接在 sum 里打印了出来。sum 里写死了，求完和之后只能直接打印，调用者 main 根本无法控制。
这是一种错误的封装，或者说，封装过头了。
每个函数应该职责单一，别一心多用
很明显，“打印”和“求和”是两个独立的操作，不应该焊死在一块。
sum 函数的本职工作是“数组求和”，不应该附赠打印功能。
sum 计算出求和结果后，直接 return 即可。
int sum(std::vector<int> const &v) {
int s = 0;
for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
s += v[i];
}
return s;
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
fmt::println("sum of a = {}", sum(a));
std::vector<int> b = {5, 6, 7, 8};
fmt::println("sum of b = {}", sum(b));
return 0;
}
这就是设计模式所说的职责单一原则。
二次封装
假设我们要计算一个数组的平均值，可以再定义个函数 average，他可以基于 sum 实现：
int sum(std::vector<int> const &v) {
int s = 0;
for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
s += v[i];
}
return s;
}
double average(std::vector<int> const &v) {
return (double)sum(v) / v.size();
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
fmt::println("average of a = {}", average(a));
std::vector<int> b = {5, 6, 7, 8};
fmt::println("average of b = {}", average(b));
return 0;
}
进一步封装一个打印数组所有统计学信息的函数：
void print_statistics(std::vector<int> const &v) {
if (v.empty()) {
fmt::println("this is empty...");
} else {
fmt::println("sum: {}", sum(v));
fmt::println("average: {}", average(v));
fmt::println("min: {}", min(v));
fmt::println("max: {}", max(v));
}
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
print_statistics(a);
std::vector<int> b = {5, 6, 7, 8};
print_statistics(b);
return 0;
}
暴露 API 时，要同时提供底层的 API 和高层封装的 API。用户如果想要控制更多细节可以调用底层 API，想要省事的用户可以调用高层封装好的 API。
libcurl就提供了curl_easy和curl_multi两套 API。
- `curl_multi` 提供了超详细的参数，把每个操作分拆成多步，方便用户插手细节，满足高级用户的定制化需求，但太过复杂，难以学习。
- `curl_easy` 是对 `curl_multi` 的再封装，提供了更简单的 API，但是对具体细节就难以操控了，适合初学者上手。
Linus 的最佳实践：每个函数不要超过 3 层嵌套，一行不要超过 80 字符，每个函数体不要超过 24 行
Linux 内核为什么坚持使用 8 缩进为代码风格？
因为高缩进可以避免程序员写出嵌套层数太深的代码，当他写出太深嵌套时，巨大的 8 缩进会让代码变得非常偏右，写不下多少空间。从而让程序员自己红着脸“对不起，我把单个函数写太深了”然后赶紧拆分出多个函数来。
此外，他还规定了单一一个函数必须在终端宽度 80 x 24 中显示得下，否则就需要拆分成多个函数重写，这配合 8 缩进，有效的限制了嵌套的层数，迫使程序员不得不重新思考，更解耦的写法出来。
为什么需要函数式？
你产生了两个需求，分别封装了两个函数：
sum求所有元素的和product求所有元素的积
int sum(std::vector<int> const &v) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); i++) {
ret += v[i];
}
return ret;
}
int product(std::vector<int> const &v) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); i++) {
ret *= v[i];
}
return ret;
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
fmt::println("sum: {}", sum(a));
fmt::println("product: {}", product(a));
return 0;
}
注意到 sum 和 product 的内容几乎如出一辙，唯一的区别在于：
sum的循环体为+=；product的循环体为*=。
这种函数体内有部分代码重复，但又有特定部分不同，难以抽离。
该怎么复用这重复的部分代码呢？
我们要把 sum 和 product 合并成一个函数 generic_sum。然后通过函数参数，把差异部分（0、+=）“注入”到两个函数原本不同地方。
枚举的糟糕用法
如何表示我这个函数是要做求和 += 还是求积 *=？
让我们定义枚举：
enum Mode {
ADD, // 求和操作
MUL, // 求积操作
};
int generic_sum(std::vector<int> const &v, Mode mode) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); i++) {
if (mode == ADD) { // 函数内判断枚举，决定要做什么操作
ret += v[i];
} else if (mode == MUL) {
ret *= v[i];
}
}
return ret;
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
fmt::println("sum: {}", generic_sum(a, ADD)); // 用户指定他想要的操作
fmt::println("product: {}", generic_sum(a, MUL));
return 0;
}
然而，如果用户现在想要求数组的最大值呢？
枚举中还没有实现最大值的操作……要支持，就得手忙脚乱地去修改 generic_sum 函数和 Mode 枚举原本的定义，真麻烦！
enum Mode {
ADD,
MUL,
MAX, // ***改***
};
int generic_sum(std::vector<int> const &v, Mode mode) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); i++) {
if (mode == ADD) {
ret += v[i];
} else if (mode == MUL) {
ret *= v[i];
} else if (mode == MAX) { // ***改***
ret = std::max(ret, v[i]); // ***改***
}
}
return ret;
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
generic_sum(a, MAX); // ***改***
return 0;
}
// ***改***指示了所有需要改动的地方。
为了增加一个求最大值的操作，就需要三处分散在各地的改动！
不仅如此，还容易抄漏，抄错，比如 MAX 不小心打错成 MUL 了，自己却没发现，留下 BUG 隐患。
这样写代码的方式，心智负担极大，整天就提心吊胆着东一块，西一块的散装代码，担心着有没有哪个地方写错写漏，严重妨碍了开发效率。
并且写出来的代码也不能适应需求的变化：假如我需要支持 MIN 呢？又得改三个地方！这违背了设计模式的开闭原则。
- 开闭原则: 对扩展开放，对修改封闭。指的是软件在适应需求变化时，应尽量通过扩展代码来实现变化，而不是通过修改已有代码来实现变化。
使用枚举和 if-else 实现多态，难以扩展，还要一直去修改原函数的底层实现，就违背了开闭原则。
函数式编程光荣救场
如果我们可以“注入”代码就好了！能否把一段“代码”作为 generic_sum 函数的参数呢？
代码，实际上就是函数，注入代码就是注入函数。我们先定义出三个不同操作对应的函数：
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
int mul(int a, int b) {
return a * b;
}
int max(int a, int b) {
return std::max(a, b);
}
然后，把这三个小函数，作为另一个大函数 generic_sum 的参数就行！
int generic_sum(std::vector<int> const &v, auto op) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); i++) {
// 函数作者无需了解用户指定的“操作”具体是什么
// 只需要调用这一“操作”，得到结果就行
ret = op(ret, v[i]);
}
return ret;
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
// 用户无需关心函数的具体实现是什么
// 只需随心所欲指定他的“操作”作为参数
generic_sum(a, add);
generic_sum(a, product);
generic_sum(a, max);
return 0;
}
责任明确了，我们成功把一部分细节从 generic_sum 中进一步抽离。
- 库作者
generic_sum不必了解main的操作具体是什么，他只负责利用这个操作求“和”。 - 库用户
main不必了解generic_sum如何实现操作累加，他只管注入“如何操作”的代码，以函数的形式。
我用了 C++20 的函数参数 auto 语法糖
int generic_sum(std::vector<int> const &v, auto op) {
}
这里的参数 op 类型声明为 auto，效果就是，op 这个参数现在能接受任意类型的对象了（包括函数！）
int generic_sum(std::vector<int> const &v, auto op) {
...
}
准确的说，
auto op参数的效果是使generic_sum变为一个模板函数，其中 op 参数变成了模板参数，能够接受任意类型了。而写明类型的参数std::vector<int> const &v就没有任何额外效果，就只能接受vector<int>而已。
如果你不支持 C++20 的话，需要显式写出 template，才能实现同样的效果：
template <typename Op>
int generic_sum(std::vector<int> const &v, Op op) {
...
}
函数也是对象！
在过去的面向对象编程范式中，函数（代码）和对象（数据）被割裂开来，他们愚昧地认为函数不是对象。
函数式编程范式则认为：函数也是一种变量，函数可以作为另一个函数的参数！
总之，函数也是对象，被亲切地尊称为函数对象。
C++11 引入 Lambda 语法糖
C++98 时代，人们还需要单独跑到 main 外面，专门定义 add、mul、max 函数。弄得整个代码乱哄哄的，非常麻烦。
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
int mul(int a, int b) {
return a * b;
}
int max(int a, int b) {
return std::max(a, b);
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
generic_sum(a, add);
generic_sum(a, product);
generic_sum(a, max);
return 0;
}
C++11 引入了 Lambda 表达式语法，允许你就地创建一个函数。
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
auto add = [](int a, int b) {
return a + b;
};
auto mul = [](int a, int b) {
return a * b;
};
auto max = [](int a, int b) {
return std::max(a, b);
};
generic_sum(a, add);
generic_sum(a, product);
generic_sum(a, max);
return 0;
}
不用往 main 外面塞垃圾了，一清爽。
更进一步，我们甚至不用定义变量，直接把 Lambda 表达式写在 generic_sum 的参数里就行了！
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return a + b;
});
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return a * b;
});
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return std::max(a, b);
}); // ***改***
return 0;
}
要支持一个新操作，只需修改一处地方：在调用 generic_sum 时就地创建一个函数。随叫随到，不用纠结于“起名强迫症”，是不是很方便呢？
operator()()模拟函数对象了，著名的第三方库 Boost 也封装了各种函数式常用的容器和工具。C++11 才终于把函数对象这个概念转正，并引入了更方便的 Lambda 语法糖。
依赖注入原则
函数对象 op 作为参数传入，让 generic_sum 内部去调用，就像往 generic_sum 体内“注入”了一段自定义代码一样。
这可以让 generic_sum 在不修改本体的情况下，通过修改“注入”部分，轻松扩展，满足开闭原则。
更准确的说，这体现的是设计模式所要求的依赖注入原则。
- 依赖注入原则: 一个封装好的函数或类，应该尽量依赖于抽象接口，而不是依赖于具体实现。这可以提高程序的灵活性和可扩展性。
四大编程范式都各自发展出了依赖注入原则的解决方案：
- 面向过程编程范式中，函数指针就是那个抽象接口。
- 面向对象编程范式中，虚函数就是那个抽象接口。
- 函数式编程范式中，函数对象就是那个抽象接口。
- 模板元编程范式中，模板参数就是那个抽象接口。
同样是把抽象接口作为参数，同样解决可扩展问题。
函数指针贴近底层硬件，虚函数方便整合多个接口，函数对象轻量级、随地取用，模板元有助高性能优化，不同的编程范式殊途同归。
低耦合，高内聚
依赖注入原则可以减少代码之间的耦合度，大大提高代码的灵活性和可扩展性。
- 耦合度: 指的是一个模块、类、函数和其他模块、类、函数之间的关联程度。耦合度越低，越容易进行单元测试、重构、复用和扩展。
通常来说，软件应当追求低耦合度，适度解耦的软件能更快适应需求变化。但过度的低耦合也会导致代码过于分散，不易阅读和修改，甚至可能起到反效果。
为了避免解耦矫枉过正，人们又提出了内聚的概念，并规定解耦的前提是：不耽误内聚。耽误到内聚的解耦，就只会起到降低可维护性的反效果了。
- 内聚: 指的是同一个模块、类、函数内部各个元素之间的关联程度。内聚度越高，功能越独立，越方便集中维护。
好的软件要保持低耦合，同时高内聚。
与传统面向对象的对比
传统的面向对象同样可以用虚函数接口类模拟函数对象一样的功能，只不过没有 lambda 和闭包的语法加持，写起来非常繁琐，就和在 C 语言里“模拟”面向对象一样。
struct OpBase { // 面向对象：遇事不决先定义接口……
virtual int compute(int a, int b) = 0;
virtual ~OpBase() = default;
};
struct OpAdd : OpBase {
int compute(int a, int b) override {
return a + b;
}
};
struct OpMul : OpBase {
int compute(int a, int b) override {
return a * b;
}
};
struct OpMax : OpBase {
int compute(int a, int b) override {
return std::max(a, b);
}
};
int generic_sum(std::vector<int> const &v, OpBase *op) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); ++i) {
ret = op->compute(ret, v[i]); // 写起来也麻烦，需要调用他的成员函数，成员函数又要起名……
}
delete op;
return ret;
}
int main() {
std::vector<int> a = {1, 2, 3, 4};
generic_sum(a, new OpAdd());
generic_sum(a, new OpMul());
generic_sum(a, new OpMax());
return 0;
}
不仅需要定义一堆类，接口类，实现类，继承来继承去，还需要管理讨厌的指针，代码量翻倍，没什么可读性，又影响运行效率。
而现代 C++ 只需 Lambda 语法就地定义函数对象，爽。
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return a + b;
});
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return a * b;
});
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return std::max(a, b);
});
函数对象在模板加持下静态分发
刚刚，我们的实现用了 auto op 做参数，这等价于让 generic_sum 变成一个模板函数。
int generic_sum(std::vector<int> const &v, auto op);
// 不支持 C++20 时的替代写法：
template <typename Op>
int generic_sum(std::vector<int> const &v, Op op);
这意味着每当用户指定一个新的函数对象（lambda）时，generic_sum 都会重新实例化一遍。
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return a + b;
});
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return a * b;
});
generic_sum(a, [](int a, int b) {
return std::max(a, b);
});
编译后，会变成类似于这样：
generic_sum<add>(a);
generic_sum<mul>(a);
generic_sum<max>(a);
会生成三份函数，每个都是独立编译的：
int generic_sum<add>(std::vector<int> const &v) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); ++i) {
ret = add(ret, v[i]);
}
return ret;
}
int generic_sum<mul>(std::vector<int> const &v) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); ++i) {
ret = mul(ret, v[i]);
}
return ret;
}
int generic_sum<max>(std::vector<int> const &v) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); ++i) {
ret = max(ret, v[i]);
}
return ret;
}
这允许编译器为每个版本的 generic_sum 单独做优化，量身定制最优的代码。
例如 add 这个函数对象，因为只在 generic_sum<add> 中使用了，会被被编译器自动内联，不会产生函数调用和跳转的指令，各自优化成单独一条加法 / 乘法 / 最大值指令等。
+=可以矢量化，于是用_mm_add_epi32替代了。同理，mul 则用_mm_mullo_epi32替代，max 则用_mm_max_epi32替代等，各自分别生成了各自版本最优的代码。而如果是普通的函数指针，不会生成三份量身定做的实例，无法矢量化（有一种例外，就是编译器检测到了generic_sum似乎只有这三种可能参数，然后做了 IPO 优化，但并不如模板实例化一样稳定强制）。
为三种不同的 op 参数分别定做三份。虽然增加了编译时间，膨胀了生成的二进制体积；但生成的机器码是分别针对每种特例一对一深度优化的，更高效。
函数对象也可在 function 容器中动态分发
Lambda 函数对象的类型是匿名的，每个 Lambda 表达式都会创建一个全新的函数对象类型，这使得 generic_sum 对于每个不同的 Lambda 都会实例化一遍。虽然有利于性能优化，但也影响了编译速度和灵活性。
decltype(add)获取add这个 Lambda 对象的类型。也只能通过auto来捕获 Lambda 对象为变量。
为此，标准库提供了 std::function 容器，他能容纳任何函数对象！无论是匿名的 Lambda 函数对象，还是普普通通的函数指针，都能纳入 std::function 的体内。
唯一的代价是，你需要指定出所有参数的类型，和返回值的类型。
例如参数为两个 int，返回 int 的函数，可以用 std::function<int(int, int)> 容器存储。
auto add_lambda = [](int a, int b) { // Lambda 函数对象
return a + b;
};
struct AddClass {
int operator()(int a, int b) { // 自定义类模拟函数对象
return a + b;
}
};
AddClass add_object;
int add_regular_func(int a, int b) { // 普通函数
return a + b;
}
std::function<int(int, int)> add; // 所有广义函数对象，统统接纳
add = add_lambda; // OK
add = add_object; // OK
add = add_regular_func; // OK
int generic_sum(std::vector<int> const &v,
std::function<int(int, int)> op) {
int ret = v[0];
for (int i = 1; i < v.size(); ++i) {
ret = op(ret, v[i]); // 写起来和模板传参时一样无感
}
// 无需指针，无需 delete，function 能自动管理函数对象生命周期
return ret;
}
std::function<std::any(std::any)>。这里std::any是个超级万能容器，可以容纳任何对象，他和std::function一样都采用了“类型擦除 (type-erasure)”技术，缺点是必须配合std::any_cast才能取出使用，之后的模板元进阶专题中会详细介绍他们的原理，并带你自己做一个擦加法的类型擦除容器。
函数式编程，能在静态与动态之间轻松切换，高性能与灵活性任君选择。
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在需要性能的瓶颈代码中用模板传参，编译期静态分发，多次量身定做，提高运行时性能。
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瓶颈代码: 往往一个程序 80% 的时间花在 20% 的代码上。这 20% 是在程序中频繁执行的、计算量大的、或者调用特别耗时的函数。针对这部分瓶颈代码优化即可，而剩余的 80% 打酱油代码，大可以怎么方便怎么写。
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在性能无关紧要的顶层业务逻辑中用 function 容器传参，运行时动态分发，节省编译体积，方便持久存储，灵活易用。
generic_sum函数，如果我们突然想要高性能了，只需把std::function<int(int, int)> op轻轻改为auto op就轻松切换到静态分发模式了。
而虚函数一旦用了，基本就只能动态分发了，即使能被 IPO 优化掉，虚表指针也永远占据着一个 8 字节的空间，且永远只能以指针形式传来传去。
案例：函数对象的动态分发用于多线程任务队列
主线程不断地向工作者线程发送函数对象，令其代为执行：
mt_queue<std::function<void()>> task_queue;
void main_thread() {
task_queue.push([] {
fmt::println("正在执行任务1");
});
task_queue.push([] {
fmt::println("正在执行任务2");
});
}
void worker_thread() {
while (true) {
auto task = task_queue.pop();
task();
}
}
mt_queue是小彭老师封装的多线程安全的消息队列，实现原理会在稍后的多线程专题课中详细讲解。
函数对象的重要机制：闭包
闭包是函数对象的重要机制，他允许函数对象捕获外部变量，并在函数对象内部使用这些变量。
int x = 10;
auto add_x = [x](int a) {
return a + x;
};
fmt::println("{}", add_x(5)); // 输出 15
mutable修饰，见后文。
闭包的本质是语法糖
Lambda 函数对象的闭包语法：
int x = 10;
auto add_x = [x](int a) {
return a + x;
};
实际上等价于一个带有 operator() 成员函数的结构体：
struct Lambda {
int x;
Lambda(int val) : x(val) {}
int operator() (int a) const {
return a + x;
}
};
int main() {
int x = 10;
Lambda add_x(x);
fmt::println("{}", add_x(5)); // 输出 15
return 0;
}
Lambda类的operator()成员函数体内。
而且这结构体是匿名的，没有确定的名字，此处类名 Lambda 只是示意，因而平时只能通过 auto 保存即时创建的 lambda 对象。
而所谓的闭包捕获变量，实际上就是这个结构体的成员！
按值捕获，就相当于结构体成员里拷贝了一份同名的成员；如果是引用捕获，就相当于结构体里的成员是个引用。
对于引用，则是等价于结构体成员中含有一份引用作为成员：
int x = 10;
auto inc_x = [&x](int a) {
return x++;
};
struct Lambda {
int &x;
Lambda(int &val) : x(val) {}
int operator() () const {
return x++;
}
};
int main() {
int x = 10;
Lambda inc_x(x);
fmt::println("{}", inc_x()); // 输出 10
fmt::println("{}", inc_x()); // 输出 11
fmt::println("{}", inc_x()); // 输出 12
fmt::println("{}", x); // 输出 13
return 0;
}
operator() 很有迷惑性
匿名 lambda 对象：
auto lambda = [] (int a) {
return a + 1;
};
int ret = lambda(2);
等价于以下的类：
struct Lambda {
int operator() (int a) const {
return a + 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda(2);
很多同学都分不清 operator operator() opeartor()()，这个括号确实很有迷惑性，今天我来解释一下。
你现在，把上面这段代码，改成这样：
struct Lambda {
int call (int a) const {
return a + 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda.call(2);
是不是很容易看懂？这就是定义了一个成员函数 call，然后调用这个成员函数。
现在，进一步改成：
struct Lambda {
int operator_call (int a) const {
return a + 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda.operator_call(2);
能不能理解？这就是把函数名改成了 operator_call，依然是一个成员函数。
重点来了，我们把函数名，注意是函数名叫 operator()，这个空的圆括号是函数名的一部分！
struct Lambda {
int operator() (int a) const {
return a + 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda.operator() (2);
能不能理解？operator 是一个特殊的关键字，效果是和后面的一个运算符结合，形成一个特殊的“标识符”，这个“标识符”和普通函数名一样，都是“单个单词”，不可分割。
例如 operator+ 就是一个标识符，operator[] 也是一个标识符，我们这里的 operator() 也是一个标识符，没有什么稀奇的，只不过后面连的运算符刚好是括号而已。
这里我们可以通过 lambda . operator() 来访问这个成员，就可以看出，operator() 就和一个普通成员名字一样，没有区别，一样可以通过 . 访问。
例如，对于运算符 + 来说，当编译器检测到 lambda + 2 这样的表达式时，会自动翻译成 lambda.operator+ (2)，这就是所谓的运算符重载。
struct Lambda {
int operator+ (int a) const {
return a + 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda + 2;
// 会被编译器翻译成：
int ret = lambda.operator+ (2);
同样的，对于 () 运算符，也会被编译器翻译成 operator() 这个函数的调用，由于对 operator() 函数本身的调用也需要一个括号（参数列表），所以看起来就有两个括号了。实际上根本不搭界，一个是函数名标识符的一部分，一个是产生函数调用。
struct Lambda {
int operator() (int a) const {
return a + 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda(2);
// 会被编译器翻译成：
int ret = lambda.operator() (2);
这时候，去掉 (2) 里的参数 2，就变成了让你很困惑的双括号。而很多人喜欢紧挨者连写，看起来就很迷惑。
实际上，第一个 () 是函数名字的一部分，和 operator 是连在一起的，不可分割，中间也不能有其他参数。第二个 () 是函数参数列表，只不过这里刚好是没有参数，所以看起来也是个空括号，很多初学者看到就迷糊了，还看不懂建议从上面有一个参数的 operator() (int a) 看。
struct Lambda {
int operator() () const {
return 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda();
// 会被编译器翻译成：
int ret = lambda.operator() ();
所以，这就是为什么说定义了 operator() 成员函数的类，是“函数对象”或者说“仿函数”，因为当你使用函数的语法 lambda(2) 调用他们时，会触发他们的成员函数 operator()(2) 从而用法和普通函数一样，但其实际又是对象，也就得名“函数对象”和“仿函数”了。
我建议你自己去 https://cppinsights.io 这个解构语法糖的工具网站动动手试试看：
auto lambda = [] (int a) {
return a + 1;
};
int ret = lambda(2);
实际被编译器翻译成：
struct Lambda {
int operator() (int a) const {
return a + 1;
}
};
Lambda lambda;
int ret = lambda.operator() (2);
而捕获了变量的：
int x = 4;
auto lambda = [&x] (int a) {
return a + x;
};
int ret = lambda(2);
实际被编译器翻译成：
struct Lambda {
int &x;
Lambda(int &x_) : x(x_) {}
int operator() (int a) const {
return a + x;
}
};
int x = 4;
Lambda lambda(x);
int ret = lambda.operator() (2);
闭包捕获变量的生命周期问题
正因如此，闭包按值捕获（[=]）的变量，其生命周期和 Lambda 对象相同。
当 Lambda 对象被拷贝时，其按值捕获的所有变量也会被重新拷贝一份。
当 Lambda 对象被移动时，其按值捕获的所有变量也会随之一起移动。
struct C {
C() { fmt::println("C 默认构造"); }
C(C const &) { fmt::println("C 拷贝构造"); }
C(C &&) { fmt::println("C 移动构造"); }
C &operator=(C const &) { fmt::println("C 拷贝赋值"); }
C &operator=(C &&) { fmt::println("C 移动赋值"); }
~C() { fmt::println("C 析构"); }
};
C c;
fmt::println("构造 lambda");
auto lambda = [c] {};
fmt::println("拷贝 lambda 到 lambda2");
auto lambda2 = lambda;
fmt::println("移动 lambda 到 lambda3");
auto lambda3 = lambda;
输出：
C 默认构造
构造 lambda
C 拷贝构造
拷贝 lambda 到 lambda2
C 拷贝构造
移动 lambda 到 lambda3
C 移动构造
C 析构
C 析构
C 析构
C 析构
如果按值捕获了不能拷贝的对象（比如 std::unique_ptr），那么 Lambda 对象也会无法拷贝，只能移动。
std::unique_ptr<int> p = std::make_unique<int>(10);
auto lambda = [p] {}; // 编译错误💣因为这里等价于 [p' = p]，是对 p' 的拷贝构造
auto lambda = [p = std::move(p)] {}; // 编译通过✅unique_ptr 支持移动构造
auto lambda2 = lambda; // 编译错误💣std::unique_ptr 只支持移动，不支持拷贝
auto lambda2 = std::move(lambda); // 编译通过✅
用我们之前的方法解构语法糖后：
struct Lambda {
std::unique_ptr<int> p;
Lambda(std::unique_ptr<int> ptr) : p(std::move(ptr)) {}
// Lambda(Lambda const &) = delete; // 因为有 unique_ptr 成员，导致 Lambda 的拷贝构造函数被隐式删除
void operator()() const {
}
};
int main() {
std::unique_ptr<int> p = std::make_unique<int>(10);
Lambda lambda(p); // 编译错误💣
Lambda lambda(std::move(p)); // 编译通过✅
return 0;
}
mutable 的函数对象
int x = 10;
auto lambda = [x] () {
return x++; // 编译错误💣lambda 捕获的 x 默认是只读的
};
int ret = lambda();
会被编译器翻译成：
struct Lambda {
int x;
int operator() () const {
return x++; // 编译错误💣const 成员函数不能修改成员变量
}
};
int x = 10;
Lambda lambda{x};
int ret = lambda.operator() ();
注意到，这里的 operator() 成员函数有一个 const 修饰，意味着该成员函数不能修改其体内的变量。
所有 lambda 函数对象生成时默认，就会给他的 operator() 成员函数加上 const 修饰。
也就是说闭包捕获的变量默认是只读的，如果需要修改捕获的变量，可以给 lambda 加上 mutable 修饰，就加在 () 后面。
int x = 10;
auto lambda = [x] () mutable {
return x++; // 编译通过✅
};
fmt::println("lambda() = {}", lambda()); // 10
fmt::println("lambda() = {}", lambda()); // 11
fmt::println("lambda() = {}", lambda()); // 12
编译器翻译产生的 Lambda 类的成员函数，就不会带 const 修饰了，从而允许我们的函数体修改捕获的非引用变量。
struct Lambda {
int x;
int operator() () {
return x++; // 编译通过✅
}
};
int x = 10;
Lambda lambda{x};
fmt::println("lambda() = {}", lambda.operator() ()); // 10
fmt::println("lambda() = {}", lambda.operator() ()); // 11
fmt::println("lambda() = {}", lambda.operator() ()); // 12
注意：由于使用了值捕获，lambda 修改的是在他创建时对 x 的一份拷贝，外面的 x 不会改变！
int x = 10;
Lambda lambda{x};
fmt::println("lambda() = {}", lambda.operator() ()); // 10
fmt::println("lambda() = {}", lambda.operator() ()); // 11
fmt::println("lambda() = {}", lambda.operator() ()); // 12
fmt::println("x = {}", x); // 10
fmt::println("lambda.x = {}", lambda.x); // 13
int x = 10;
auto lambda = [x] () mutable {
return x++; // 编译通过✅
};
fmt::println("ret = {}", lambda()); // 10
fmt::println("ret = {}", lambda()); // 11
fmt::println("ret = {}", lambda()); // 12
fmt::println("x = {}", x); // 10
fmt::println("lambda.x = {}", lambda.x); // 编译错误💣编译器产生的匿名 lambda 对象中捕获产生的 x 成员变量是匿名的，无法访问
深入认识 lambda 语法
捕获列表语法
一个变量的三种捕获方式：
- 按值拷贝捕获
[x] - 按引用捕获
[&x] - 按值移动捕获
[x = std::move(x)] - 按自定义表达式捕获
[x = ...]
批量捕获：
- 按值拷贝捕获所有用到的变量
[=] - 按引用捕获所有用到的变量
[&] - 多个捕获 + 默认捕获方式
[x, y, &]或[&x, &y, =]
按值拷贝捕获
语法：[变量名]
按值拷贝捕获的变量，在 lambda 对象创建时，会拷贝一份捕获的变量。
lambda 捕获的变量 x 与原先 main 函数中的 x 已经是两个不同的变量，对 main 函数中 x 的修改不会影响 lambda 捕获 x 的值。
main 中的修改对 lambda 不可见。
int main() {
int x = 985;
auto lambda = [x] (int i) {
fmt::println("in lambda: x = {}", x);
};
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
x = 211;
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
}
输出：
in main: x = 985
in lambda: x = 985
in main: x = 211
in lambda: x = 985
演示：lambda 中的修改对 main 不可见。
int main() {
int x = 985;
auto lambda = [x] (int i) mutable {
fmt::println("in lambda: x = {}", x);
x = 211;
};
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
}
const），需要mutable才能修改按值捕获的成员。而按引用捕获就不需要mutable，因为虽然 lambda 本身不可修改，但他指向的东西可以修改呀！
输出：
in main: x = 985
in lambda: x = 985
in main: x = 985
in lambda: x = 211
演示：main 中 x 生命周期结束后，lambda 中的 x 依然有效。
int main() {
std::function<void(int)> lambda;
{
int x = 985;
lambda = [x] (int i) {
fmt::println("in lambda: x = {}", x);
};
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
}
fmt::println("in main: x 已经析构");
lambda();
}
输出：
in main: x = 985
in lambda: x = 985
in main: x 已经析构
in lambda: x = 985
按引用捕获
语法：[&变量名]
按引用捕获的变量，在 lambda 对象创建时，会创建一份指向变量的引用。
lambda 捕获的变量引用 &x 与原先 main 函数中的 x 是同一个变量，对 main 函数中 x 的修改会直接影响 lambda 捕获中 x 的值，反之亦然。
演示：main 中的修改对 lambda 可见。
int main() {
int x = 985;
auto lambda = [&x] (int i) {
fmt::println("in lambda: x = {}", x);
};
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
x = 211;
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
}
输出：
in main: x = 985
in lambda: x = 985
in main: x = 211
in lambda: x = 211
演示：lambda 中的修改对 main 也可见。
int main() {
int x = 985;
auto lambda = [&x] (int i) {
fmt::println("in lambda: x = {}", x);
x = 211;
};
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
}
输出：
in main: x = 985
in lambda: x = 985
in main: x = 211
in lambda: x = 211
演示：main 中 x 生命周期结束后，lambda 中的 x 将成为危险的“空悬引用（dangling-reference）”！此时再尝试访问 x，将产生未定义行为。
int main() {
std::function<void(int)> lambda;
{
int x = 985;
lambda = [&x] (int i) {
fmt::println("in lambda: x = {}", x);
};
fmt::println("in main: x = {}", x);
lambda();
}
fmt::println("in main: x 已经析构");
lambda();
}
输出：
in main: x = 985
in lambda: x = 985
in main: x 已经析构
in lambda: x = -858993460
-858993460为内存中的垃圾值，你读到的结果可能随平台，编译器版本，优化选项的不同而不同，正常读到985也是有可能的，开发者不能依赖此类随机性的结果。
-858993460是在 Windows 平台的调试模式下可能的输出，因为 Windows 倾向于把栈内存填满0xcccccccc以方便调试，其中0xcc刚好也是int3这条 x86 调试指令的二进制码，可能是为了避免指令指针执行到堆栈里去。
按值移动捕获
TODO
自定义表达式捕获
TODO
lambda 中的 auto 类型推导
auto 推导返回类型
lambda 函数可以通过在参数列表后使用 -> 指定函数返回类型：
auto lambda = [] (int a) -> int {
return a;
};
int i = lambda();
如果返回类型省略不写，默认是 -> auto，也就是根据你的 return 语句自动推导返回类型。
auto lambda = [] (int a) {
return a;
};
// 等价于：
auto lambda = [] (int a) -> auto {
return a;
};
和普通函数返回类型声明为 auto 一样，会自动根据表达式为你推导返回类型：
auto lambda = [] (int a) {
return a; // 此表达式类型为 int
};
// 等价于：
auto lambda = [] (int a) -> int { // 所以 auto 推导出的返回类型也是 int
return a;
};
auto lambda2 = [] (int a) {
return a * 2.0; // 此返回表达式的类型为 double
};
// 等价于：
auto lambda2 = [] (int a) -> double { // 所以 auto 推导出的返回类型也是 double
return a * 2.0;
};
如果没有返回语句，那么会推导为返回 void 类型的 lambda。
auto lambda = [] (int a) {
fmt::println("a = {}", a);
};
// 等价于：
auto lambda = [] (int a) -> void {
fmt::println("a = {}", a);
};
auto lambda = [] (int a) {
return;
};
// 等价于：
auto lambda = [] (int a) -> void {
return;
};
和函数的 auto 返回类型推导一样，当返回类型为 auto 的 lambda 具有多个返回语句时，必须保证所有分支上的返回值具有相同的类型，否则编译器报错，需要手动写出返回类型，或者把所有分支的返回值改成相同的。
auto lambda_error = [] (double x) { // 编译错误：两个分支的返回类型不同，无法自动推导
if (x > 0) {
return x; // double
} else {
return 0; // int
}
};
auto lambda_ok = [] (double x) { // 编译通过
if (x > 0) {
return x; // double
} else {
return (double)0; // double
}
};
auto lambda_also_ok = [] (double x) -> double { // 手动明确返回类型，编译也能通过
if (x > 0) {
return x; // double
} else {
return 0; // int，但会隐式转换为 double
}
};
auto 推导参数类型
TODO
auto 参数实现多次实例化的应用
auto & 与 auto const & 的应用
auto && 万能引用
decltype(auto) 保留真正的原始返回类型
lambda 常见的三大用法
储存一个函数对象做局部变量
我们总是用 auto 来保存一个函数对象作为局部变量，这会自动推导 lambda 的匿名类型。
为什么不能显式写出类型名字？因为 lambda 的类型是匿名的，你无法写出类型名，只能通过 auto 推导。
int b = 2;
auto lambda = [b] (int a) {
return a + b;
};
auto和 lambda 语法的原因。
如果你实在需要显式的类名，那就需要使用 std::function 容器。虽然 lambda 表达式产生的类型是匿名的，但是该类型符合“可调用”的约束，可以被 std::function 容器接纳。
std::function容器。因为std::function<Ret(Args)>容器可以接纳任何“可接受(Args...)参数调用并返回Ret类型”的任意函数对象。
int b = 2;
std::function<void(int)> lambda = [b] (int a) {
return a + b;
};
例如当我们需要把 lambda 对象推入 vector 等容器中时，就需要显式写出函数对象的类型，此时万能函数对象容器 std::function 就能派上用场了：
// vector<auto> lambda_list; // 错误：不支持的语法
vector<function<void(int)>> lambda_list; // OK
int b = 2;
lambda_list.push_back([b] (int a) {
return a + b;
};
lambda_list.push_back([b] (int a) {
return a * b;
};
for (auto lambda: lambda_list) {
int ret = lambda(2);
fmt::println("{}", ret);
}
应用案例
代码复用
TODO
就地调用的 lambda-idiom
TODO
注意捕获变量的生命周期
新手用 lambda 常见的错误就是搞不清捕获变量的生命周期，总是想当然地无脑用 [&]，非常危险。
如果你有“自知之明”，自知不熟悉生命周期分析，那就全部 [=]。
实际上，[=] 应该是你默认的捕获方式。
只有当类型无法拷贝会深拷贝成本过高时，才会选择性地把一些可以改成引用捕获的部分 lambda，使用 [&] 来捕获部分需要避免拷贝的变量，或者使用 shared_ptr 配合 [=] 将深拷贝化为浅拷贝。
shared_ptr的垃圾回收语言巨婴，一上来就全部无脑[&]，用实际行动证明了智商和勇气成反比定律。
好消息是，对于代码复用和就地调用的情况，lambda 对象的生命都不会出函数体，可以安全地改成按引用捕获 [&]。
但是对于下面两种情况（作为参数传入和作为返回值），就不一定有这么幸运了。
总之，无论如何要保证 lambda 对象的生命周期 小于等于 按引用捕获的所有变量的生命周期。如果做不到，那就得把这些可能超出的变量改成按值捕获 [=]。
返回一个函数对象做返回值
如果你想让返回一个函数对象，分为两种情况：
就地定义（声明与定义合体）的函数，建议填写 auto 为返回值类型，自动推导 lambda 的匿名类型（因为你无法写出具体类型名）。
然后，在 return 语句中就地写出 lambda 表达式即可：
auto make_adder(int x) {
return [x] (int y) {
return x + y;
};
}
分离声明与定义的函数，无法使用 auto 推导返回类型，不得不使用万能的函数容器 std::function 来擦屁股：
// adder.h
std::function<int()> make_adder(int x);
// adder.cpp
std::function<int()> make_adder(int x) {
return [x] (int y) {
return x + y;
};
}
“函数返回一个函数对象”，这种用法在函数式编程非常常见。
应用案例
例如上述的 make_adder 等于绑定了一个固定参数 x 的加法函数，之后每次调用这个返回的函数对象，就固定增加之前在 make_adder 参数中 x 的增量了。
TODO
注意捕获变量的生命周期
此类“返回一个函数对象”的写法，其 lambda 捕获必须是按值捕获的！
否则，因为调用者调用返回的函数对象时，局部变量和实参所对应的函数局部栈空间已经释放，相当于在 lambda 体内存有空悬引用，导致出现未定义行为（要么直接崩溃，要么非常隐蔽地留下内存非法访问的隐患）。
auto make_adder(int x) {
return [x] (int y) {
return x + y;
};
}
int main() { // 我是调用者
auto adder = make_adder(2);
adder(3); // 2 + 3 = 5
}
接受一个函数对象做参数
TODO：代码
应用案例
TODO：策略模式
TODO：延迟回调
注意捕获变量的生命周期
函数对象做参数的生命周期问题，需要分就地调用和延迟调用两种情况讨论。
生命周期问题总结：何时使用 [=] 或 [&]
如果你的智力暂不足以搞懂生命周期分析，没关系，始终使用 [=] 肯定没错。
[=]就是这个万能的水，虽然不一定高效，但是肯定没错。初学者总是从[=]用起，等学明白了，再来尝试突破“小计机性能焦虑优化”也不迟。
如果你自认为能分得清：
- 在当前函数体内创建，当前函数体内立即调用，可以引用捕获
[&]，但值捕获[=]也没错。 - 返回一个 lambda，必须值捕获
[=]。 - 接受一个 lambda 做参数，需要进一步分为两种情况：
- 在当前函数体内立即调用，可以引用捕获
[&]，但值捕获[=]也没错。 - 作为回调函数，延迟调用，那就必须值捕获
[=]。
- 在当前函数体内立即调用，可以引用捕获
以上四种情况，分别代码演示：
void func() {
int i = 1;
auto lambda = [&] () { return i; };
lambda();
}
int main() {
func();
}
auto func() {
int i = 1;
return [=] () { return i; };
}
int main() {
auto lambda = func();
lambda();
}
auto func(auto lambda) {
lambda();
}
int main() {
int i = 1;
func([&] () { return i; });
}
vector<function<int()>> g_callbacks;
auto func(auto lambda) {
g_callbacks.push_back(lambda);
}
void init() {
int i = 1;
func([=] () { return i; });
}
int main() {
init();
for (auto cb: g_callbacks) {
cb();
}
}
lambda 用于 STL 模板的仿函数参数
分为两种情况：
模板函数
模板函数比较简单，直接往函数参数中传入 lambda 对象即可。
sort：
std::vector<int, int> a = {1, 4, 2, 8, 5, 7};
auto comp = [] (int i, int j) {
return i < j;
};
std::sort(a.begin(), a.end(), comp);
fmt::println("a = {}", a);
效果：将 a 数组从大到小排序后打印。
shared_ptr：
auto deleter = [] (FILE *fp) {
fclose(fp);
};
std::shared_ptr<FILE> p(fopen("hello.txt", "r"), deleter);
效果：当 p 的引用计数归零时，调用 fclose(p.get())。
模板类
而模板类则需要先在模板参数中指定类型，然后在构造函数中传入参数。
std::vector<int, int> a = {1, 4, 2, 8, 5, 7};
auto comp = [] (int i, int j) {
return i < j;
};
std::set<int, decltype(comp)> sorted(comp);
sorted.assign(a.begin(), a.end());
a.assign(sorted.begin(), sorted.end());
fmt::println("a = {}", a);
效果：利用 set 容器有序的特点，将 a 数组从大到小排序后打印。
unique_ptr：
auto deleter = [] (FILE *fp) {
fclose(fp);
};
std::unique_ptr<FILE, decltype(deleter)> p(fopen("hello.txt", "r"), deleter);
效果：当 p 析构时，调用 fclose(p.get())。
lambda 在 STL 中的使用案例
TODO: count_if, erase_if, argsort
标准库自带的运算符仿函数
二元运算符
| 运算符 | 仿函数类型 |
|---|---|
a < b |
std::less |
a > b |
std::greater |
a <= b |
std::less_equal |
a >= b |
std::greater_equal |
a == b |
std::equal_to |
a != b |
std::not_equal_to |
a <=> b |
std::compare_three_way (C++20) |
a && b |
std::logical_and |
a \|\| b |
std::logical_or |
a & b |
std::bit_and |
a \| b |
std::bit_or |
a ^ b |
std::bit_xor |
a + b |
std::plus |
a - b |
std::minus |
a * b |
std::multiplies |
a / b |
std::divides |
a % b |
std::modulus |
一元运算符
| 运算符 | 仿函数类型 |
|---|---|
!a |
std::logical_not |
~a |
std::bit_not |
-a |
std::negate |
a |
std::identity |
bind 为函数对象绑定参数
原始函数：
int hello(int x, int y) {
fmt::println("hello({}, {})", x, y);
return x + y;
}
int main() {
hello(2, 3);
hello(2, 4);
hello(2, 5);
return 0;
}
绑定部分参数：
int hello(int x, int y) {
fmt::println("hello({}, {})", x, y);
return x + y;
}
int main() {
auto hello2 = std::bind(hello, 2, std::placeholders::_1);
hello2(3); // hello(2, 3)
hello2(4); // hello(2, 4)
hello2(5); // hello(2, 5)
return 0;
}
std::placeholders::_1表示hello2的第一参数。
绑定全部参数：
int hello(int x, int y) {
fmt::println("hello({}, {})", x, y);
return x + y;
}
int main() {
auto hello23 = std::bind(hello, 2, 3);
hello23(); // hello(2, 3)
return 0;
}
绑定引用参数：
int inc(int &x) {
x += 1;
}
int main() {
int x = 0;
auto incx = std::bind(inc, std::ref(x));
incx();
fmt::println("x = {}", x); // x = 1
incx();
fmt::println("x = {}", x); // x = 2
return 0;
}
如果不使用
std::ref，那么main里的局部变量x不会改变！因为std::bind有一个恼人的设计：默认按拷贝捕获，会把参数拷贝一份，而不是保留引用。
有趣的是，placeholder 指定的参数，却不需要 std::ref 才能保持引用：
int inc(int &x, int y) {
x += y;
}
int main() {
int x = 0;
auto inc1 = std::bind(inc, std::placeholders::_1, 1);
inc1(x); // 此处 x 是按引用传递的
fmt::println("x = {}", x); // x = 1
inc1(x);
fmt::println("x = {}", x); // x = 2
return 0;
}
那是因为，std::placeholders::_1 指定的参数会被直接完美转发给 inc 里的 x，相当于 inc(x, 2);。只有捕获的参数会发生拷贝，不会完美转发。
bind 是一个失败的设计
当我们绑定出来的函数对象还需要接受参数时，就变得尤为复杂：需要使用占位符（placeholder）。
int func(int x, int y, int z, int &w);
int w = rand();
auto bound = std::bind(func, std::placeholders::_2, 1, std::placeholders::_1, std::ref(w)); //
int res = bound(5, 6); // 等价于 func(6, 1, 5, w);
这是一个绑定器，把 func 的第二个参数和第四个参数固定下来，形成一个新的函数对象，然后只需要传入前面两个参数就可以调用原来的函数了。
这是一个非常旧的技术，C++98 时代就有了。但是，现在有了 Lambda 表达式，可以更简洁地实现：
int func(int x, int y, int z, int &w);
int w = rand();
auto lambda = [&w](int x, int y) { return func(y, 1, x, w); };
int res = lambda(5, 6);
Lambda 表达式有许多优势：
- 简洁：不需要写一大堆看不懂的
std::placeholders::_1，直接写变量名就可以了。 - 灵活：可以在 Lambda 中使用任意多的变量，调整顺序，而不仅仅是
std::placeholders::_1。 - 易懂：写起来和普通函数调用一样，所有人都容易看懂。
- 捕获引用：
std::bind不支持捕获引用，总是拷贝参数，必须配合std::ref才能捕获到引用。而 Lambda 可以随意捕获不同类型的变量，按值（[x]）或按引用（[&x]），还可以移动捕获（[x = move(x)]），甚至捕获 this（[this]）。 - 夹带私货：可以在 lambda 体内很方便地夹带其他额外转换操作，比如：
auto lambda = [&w](int x, int y) { return func(y + 8, 1, x * x, ++w) * 2; };
bind 的历史
为什么 C++11 有了 Lambda 表达式，还要提出 std::bind 呢？
虽然 bind 和 lambda 看似都是在 C++11 引入的，实际上 bind 的提出远远早于 lambda。
当时还是 C++98，由于没有 lambda，难以创建函数对象，“捕获参数”非常困难。
为了解决“捕获难”问题，在第三方库 boost 中提出了 boost::bind，由于当时只有 C++98，很多有益于函数式编程的特性都没有，所以实现的非常丑陋。
例如，因为 C++98 没有变长模板参数，无法实现 <class ...Args>。所以实际上当时 boost 所有支持多参数的函数，实际上都是通过：
void some_func();
void some_func(int i1);
void some_func(int i1, int i2);
void some_func(int i1, int i2, int i3);
void some_func(int i1, int i2, int i3, int i4);
// ...
这样暴力重载几十个函数来实现的，而且参数数量有上限。通常会实现 0 到 20 个参数的重载，更多就不支持了。
例如，我们知道现在 bind 需要配合各种 std::placeholders::_1 使用，有没有想过这套丑陋的占位符是为什么？为什么不用 std::placeholder<1>，这样不是更可扩展吗？
没错，当时 boost::bind 就是用暴力重载几十个参数数量不等的函数，排列组合，嗯是排出来的，所以我们会看到 boost::placeholders 只有有限个数的占位符数量。
糟糕的是，标准库的 std::bind 把 boost::bind 原封不动搬了过来，甚至 placeholders 的暴力组合也没有变，造成了 std::bind 如今丑陋的接口。
人家 boost::bind 是因为不能修改语言语法，才只能那样憋屈的啊？可现在你码是标准委员会啊，你可以修改语言语法啊？
然而，C++ 标准的更新是以“提案”的方式，逐步“增量”更新进入语言标准的。即使是在 C++98 到 C++11 这段时间内，内部也是有一个很长的消化流程的，也就是说有很多子版本，只是对外看起来好像只有一个 C++11。
比方说，我 2001 年提出 std::bind 提案，2005 年被批准进入未来将要发布的 C++11 标准。然后又一个人在 2006 年提出其实不需要 bind，完全可以用更好的 lambda 语法来代替 bind，然后等到了 2008 年才批准进入即将发布的 C++11 标准。但是已经进入标准的东西就不会再退出了，哪怕还没有发布。就这样 bind 和 lambda 同时进入了标准。
所以闹了半天，lambda 实际上是 bind 的上位替代，有了 lambda 根本不需要 bind 的。只不过是由于 C++ 委员会前后扯皮的“制度优势”，导致 bind 和他的上位替代 lambda 同时进入了 C++11 标准一起发布。
很多同学就不理解，小彭老师说“lambda 是 bind 的上位替代”，他就质疑“可他们不都是 C++11 提出的吗？”
有没有一种可能，C++11 和 C++98 之间为什么年代差了那么久远，就是因为一个标准一拖再拖，内部实际上已经迭代了好几个小版本了，才发布出来。
optional都是 C++17 引入的，为什么还要make_optional这个帮手函数？不是说 CTAD 是make_xxx的上位替代吗？可见，C++ 标准中这种“同一个版本内”自己打自己耳光的现象比比皆是。
thread 膝盖中箭
糟糕的是，bind 的这种荼毒，甚至影响到了线程库：std::thread 的构造函数就是基于 std::bind 的！
这导致了 std::thread 和 std::bind 一样，无法捕获引用。
void thread_func(int &x) {
x = 42;
}
int x = 0;
std::thread t(thread_func, x);
t.join();
printf("%d\n", x); // 0
为了避免踩到 bind 的坑，我建议所有同学，构造 std::thread 时，统一只指定“单个参数”，也就是函数本身。如果需要捕获参数，请使用 lambda。因为 lambda 中，捕获了哪些变量，参数的顺序是什么，哪些捕获是引用，哪些捕获是拷贝，非常清晰。
void thread_func(int &x) {
x = 42;
}
int x = 0;
std::thread t([&x] { // [&x] 表示按引用捕获 x；如果写作 [x]，那就是拷贝捕获
thread_func(x);
});
t.join();
printf("%d\n", x); // 42
案例：绑定随机数生成器
bind 写法：
std::mt19937 gen(seed);
std::uniform_real_distribution<double> uni(0, 1);
auto frand = std::bind(uni, std::ref(gen));
double x = frand();
double y = frand();
改用 lambda：
std::mt19937 gen(seed);
std::uniform_real_distribution<double> uni(0, 1);
auto frand = [uni, &gen] {
return uni(gen);
};
double x = frand();
double y = frand();
std::bind_front 和 std::bind_back
C++17 引入了两个新绑定函数：
std::bind_front：绑定最前的若干个参数，后面的参数自动添加占位符；std::bind_back：绑定末尾的若干个参数，前面的参数自动添加占位符。
和普通的 std::bind 相比有什么好处呢？
对于函数参数非常多，但实际只需要绑定一两个参数的情况，用 std::bind 会需要添加非常多的 placeholder，数量和函数的剩余参数数量一样多。而 std::bind_front 则相当于一个简写，后面的占位符可以省略不写了。
例如绑定 x = 42：
int func(int x, int y, int z);
auto bound = std::bind(func, 42, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
// 等价于：
auto bound = std::bind_front(func, 42);
绑定 z = 42：
int func(int x, int y, int z);
auto bound = std::bind(func, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, 42);
// 等价于：
auto bound = std::bind_back(func, 42);
可以看到，使用这两个新绑定函数明显写的代码少了。
std::bind_front，用于绑定类成员的this指针。
案例：绑定成员函数
使用“成员函数指针”语法（这一奇葩语法在 C++98 就有）配合 std::bind，可以实现绑定一个类型的成员函数：
struct Class {
void world() {
puts("world!");
}
void hello() {
auto memfn = std::bind(&Class::world, this); // 将 this->world 绑定成一个可以延后调用的函数对象
memfn();
memfn();
}
}
不就是捕获 this 吗？我们 lambda 也可以轻易做到！且无需繁琐地写出 this 类的完整类名，还写个脑瘫 &:: 强碱你的键盘。
struct Class {
void world() {
puts("world!");
}
void hello() {
auto memfn = [this] {
world(); // 等价于 this->world()
};
memfn();
memfn();
}
}
bind 的缺点是，当我们的成员函数含有多个参数时，bind 就非常麻烦了：需要一个个写出 placeholder，而且数量必须和 world 的参数数量一致。每次 world 要新增参数时，所有 bind 的地方都需要加一下 placeholder，非常沙雕。
struct Class {
void world(int x, int y) {
printf("world(%d, %d)\n");
}
void hello() {
auto memfn = std::bind(&Class::world, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
memfn(1, 2);
memfn(3, 4);
}
}
而且，如果有要绑定的目标函数有多个参数数量不同的重载，那 bind 就完全不能工作了！
struct Class {
void world(int x, int y) {
printf("world(%d, %d)\n");
}
void world(double x) {
printf("world(%d)\n");
}
void hello() {
auto memfn = std::bind(&Class::world, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2);
memfn(1, 2);
memfn(3.14); // 编译出错！死扣占位符的 bind 必须要求两个参数，即使 world 明明有单参数的重载
auto memfn_1arg = std::bind(&Class::world, this, std::placeholders::_1);
memfn_1arg(3.14); // 必须重新绑定一个“单参数版”才 OK
}
}
使用 std::bind_front 代替
为了解决 bind 不能捕获多参数重载的情况，C++17 引入了 std::bind_front 和 std::bind_back，他们不需要 placeholder，但只能用于要绑定的参数在最前或者最后的特殊情况。
其中 std::bind_front 对于我们只需要把第一个参数绑定为 this，其他参数如数转发的场景，简直是雪中送炭！
struct Class {
void world(int x, int y) {
printf("world(%d, %d)\n");
}
void world(double x) {
printf("world(%d)\n");
}
void hello() {
auto memfn = std::bind_front(&Class::world, this);
memfn(1, 2);
memfn(3.14); // OK！
}
}
auto memfn = std::bind_front(&Class::world, this); // C++17 的 bind 孝子补救措施
auto memfn = BIND(world, this); // 小彭老师的 BIND 宏，C++14 起可用
你更喜欢哪一种呢？
使用 lambda 代替
而 C++14 起 lambda 支持了变长参数，就不用这么死板：
struct Class {
void world(int x, int y) {
printf("world(%d, %d)\n");
}
void world(double x) {
printf("world(%d)\n");
}
void hello() {
auto memfn = [this] (auto ...args) { // 让 lambda 接受任意参数
world(args...); // 拷贝转发所有参数给 world
};
memfn(1, 2); // 双参数：OK
memfn(3.14); // 单参数：OK
}
}
更好的是配合 forward 实现参数的完美转发：
struct Class {
void world(int &x, int &&y) {
printf("world(%d, %d)\n");
++x;
}
void world(double const &x) {
printf("world(%d)\n");
}
void hello() {
auto memfn = [this] (auto &&...args) { // 让 lambda 接受万能引用做参数
world(std::forward<decltype(args)>(args)...); // 通过 FWD 完美转发给 world，避免引用退化
};
int x = 1;
memfn(x, 2); // 双参数：OK
memfn(3.14); // 单参数：OK
}
}
bind 与标准库自带的运算符仿函数配合
TODO：std::less 和 std::bind
函数指针是 C 语言陋习，改掉
lambda 进阶案例
lambda 实现递归
lambda 避免全局重载函数捕获为变量时恼人的错误
lambda 配合 if-constexpr 实现编译期三目运算符
推荐用 C++23 的 std::move_only_function 取代 std::function
通过按值移动捕获 [p = std::move(p)]，lambda 可以持有一个 unique_ptr 作为捕获变量。
但是，我们会发现，这样创建出来的 lambda，存入 std::function 时会报错：
TODO: 代码
无状态 lambda 隐式转换为函数指针
与 std::variant 和 std::visit 配合实现动态多态
TODO: 代码案例
在之后的 std::variant 专题章节中会进一步介绍。