C++中的function, bind 和 lambda

   本文是C++0x系列的第四篇，主要是內容是C++0x中新增的lambda運算式, 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著非常密切的關係，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上對於電腦領域的closure的定義：

A closure (also lexical closure, function closure or function value) is a function together witha 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數的上下文環境的集合。從定義我們可以得知，closure可以訪問在它定義範圍之外的變數，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呼函數，這也是為什麼這裡把function, bind和lambda放在一起講的主要原因，它們三者在使用回呼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，函數指標，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型別安全的包裹（我們知道像函數指標這類可調用實體，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 objectsize_t CPrint(const char*) { ... }print_func = CPrint;print_func("hello world"): /// functor -> std::function objectclass 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，然後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，這樣就很好解決了型別安全的問題。瞭解了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. 轉換後的std::function對象的參數能轉換為可調用實體的參數
  b. 可高用實體的傳回值能轉換為std::function對象的（這裡注意一下，所有的可調用實體的傳回值都與返回void的std::function對象的傳回值相容）。
• （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數，產生一個新的可調用實體，這種機制在回呼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，由使用者指定，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，產生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，產生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，產生了一個新的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數或值進去，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的傳回值是可調用實體，可以直接賦給std::function對象
• （4）對於綁定的指標、參考型別的參數，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標來綁定

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。看到這裡的朋友，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呼函數，它和前面講的function和bind有著千絲萬縷的關係。下面我們先通過例子來看看lambda的廬山真面目：

vector< int> vec;/// 1. simple lambdaauto 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 syntaxstd::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 memberclass A{public:    void DoSomething(); private:    std::vector<int>  m_vec;    int               m_min_val;    int               m_max_va;}; /// 4.1 capture member by thisvoid 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-valuevoid 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-referencevoid 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運算式，可以認為用了lambda運算式的find_if和下面使用了functor的find_if是等價的
• （2）這個是有傳回值的lambda運算式，傳回值的文法如上面所示，通過->寫在參數列表的括弧後面。傳回值在下面的情況下是可以省略的：
  a. 傳回值是void的時候
  b. lambda運算式的body中有return expr，且expr的類型與傳回值的一樣
• （3）這個是lambda運算式capture本地局部變數的例子，這裡三個小例子，分別是capture時不同的文法，第一個小例子中=表示capture的變數pass-by-value, 第二個小拿出中&表示capture的變數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運算式capture類成員變數的例子，這裡也有三個小例子。第一個小例子是通過this指標來capture成員變數，第二、三個是通過預設的方式，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運算式使用時的一些注意事項：

• （1）lambda運算式要使用引用變數，需要遵守下面的原則：
  a. 在調用上下文中的局部變數，只有capture了才可以引用（如上面的例子3所示）
  b. 非本地局部變數可以直接引用
• （2）使用者需要注意，closure（lambda運算式產生的可調用實體）引用的變數（主要是指標和引用），在closure調用完成之前，必須保證可用，這一點和上面bind綁定參數之後產生的可調用實體是一致的
• （3）關於lambda的用處，就是用來產生closure，而closure也是一種可調用實體，所以可以通過std::function對象來儲存產生的closure，也可以直接用auto

    通過上面的介紹，我們基本瞭解了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。最後，這裡再補充一點，對於用bind來產生function和用lambda運算式來產生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，而且看著沒有lambda運算式直觀，所以通常建議優先考慮使用lambda運算式。