C++ 理解函數對象與lambda表達式

參考《21天學通C++》第21與第22章節，對函數對象進行介紹，同時通過lambda表達式這一匿名函數對象的簡潔方式加深對函數對象的理解。本篇博文的主要內容是：

（1） 函數對象的概念；

（2） 將函數對象用作謂詞；

（3） 如何使用函數對象實現一元、二元謂詞；

（4） 如何編寫lambda表達式；

（5） 如何將lambda表達式用作謂詞；

（6） 如何編寫可存儲和可操作狀態的lambda表達式。

一、 函數對象

1. 函數對象的概念和種類

函數對象是C++實體，從概念上講，函數對象是用作函數的對象；從實現上說，函數對象是實現了operator()的類的對象。雖然函數和函數指針也可視為函數對象，但是吸納了operator()的類的對象才能保存狀態，才能用於標准模板庫算法。C++常用於STL算法的函數對象可分為下面兩種類型：（1） 一元函數：接受一個參數的函數，如果一元函數返回一個布爾值，稱之為謂詞；（2） 二元函數：接受兩個參數的函數，若返回bool，則稱為二元謂詞函數。返回bool值得函數對象常常用來進行判斷的算法，組合兩個函數對象的函數對象稱之為自適應函數對象。

2. 函數對象的典型用途

（1） 一元函數的用途

對於STL算法std::for_each()接受三個參數，第一個參數指定范圍的起點，第二個參數指定范圍的終點，第三個參數是要對指定范圍內的每個元素調用的函數。這個函數就可以通過一元謂詞實現，舉例如下：

template

struct DisplayElement

{

void operator () (const elementType& element) const

{

cout<< element << ' ';

}

};

vector vectorElement;

for_each(vectorElement.begin(), vectorElement.end(), DisplayElement ());

這樣就可以使用STL算法for_each來對指定范圍內的數據執行相同的函數方法。這裡也可以使用匿名函數對象，即lambda表達式，如下所示，將上面的for_each改造為相同的功能：

for_each(vectorElement.begin(), vectorElement.end(), [](int& element) { cout << element << ' ';});

如果能夠使用結構的對象來存儲信息，則使用在結構中實現的函數對象的優點將顯現出來。

（2） 一元謂詞的用途

返回布爾值的一元函數就是謂詞，這種函數可用於STL算法的判斷。

一元謂詞被大量用於STL算法中，例如，std::partition算法使用一元謂詞來劃分范圍，stable_partition算法也使用一元謂詞劃分范圍，但保持元素的相對順序不變。諸如std::find_if等查找函數以及std::remove_if等刪除元素的函數也使用一元謂詞，其中std::remove_if刪除指定范圍內滿足謂詞條件的元素。

（3） 二元函數的用途

如果函數f(x,y)根據輸入參數返回一個值，它將很有用。這種二元函數可用於對兩個操作數執行運算，如加減乘除等。同樣實現最重要的operator（）。在std::transform等算法中，可使用二元乘積函數計算兩個容器內容的點乘。

template

class Multiply

{

public:

elementType operator () (const elmentType& elem1,const elmentType& elem2)

{ return (elem1 * elem2);}

}

vector vecMultiplicand, vecMultiplier;

vector vecResult;

transform(vecMultiplicand.begin(), vecMultiplicand.end(), vecMultiplier.begin(), vecResult.begin(), Multiply ());

transform將兩個范圍的內容相乘，並將結果存儲在第三個范圍中。這裡，這三個范圍分別存儲在類型std::vector的vecMultiplicand、vecMultiplier和vecResult中。乘法運算是通過調用二元函數Multiply::operator ()執行的，對源范圍和目標范圍內的每個元素都調用了該函數。operator()的返回值保存在vecResult中。

（4） 二元謂詞的用途

接受兩個參數並返回一個布爾值的函數是二元謂詞，這種函數用於諸如std::sort等STL函數中。使用排序二元謂詞實現排序，通過實現operator()來動態排序。

很多STL算法都使用二元謂詞，比如刪除相鄰重復元素的std::unique()、排序算法sort、排序並保持相對順序的std::stable_sort以及兩個范圍進行操作的std::transform。

（5） 總結

在結構或類中實現函數對象時，它將比簡單函數有用的多，因為它也可用於存儲與狀態相關的信息。謂詞是一類特殊的函數對象。

二、 C++ lambda表達式

1. lambda表示概念

可將lambda表達式視為包含公有operator()的匿名結構（或類），從這種意義上說，lambda表達式屬於函數對象。從上面所講到的進行分析：

for_each(vectorElement.begin(), vectorElement.end(), [](int& element) { cout << element << ' ';});

編譯器加到下述lambda表達式時：[](int& element) { cout << element << ' ';}自動將其展開為類似結構DisplayElement的表示：

struct DisplayElement

{

void operator () (const int& element) const

{

cout<< element << ' ';

}

};

2. 如何定義lambda表達式

以方括號[]打頭，告訴編譯器，接下來是一個lambda表達式，方括號後面是一個參數列表，該參數列表與不使用lambda表達式時提供給operator()參數列表相同。

3. 一元函數對應的lambda表達式

與一元operator（Type）對應的lambda表達式接收一個參數，定義如下：

[](Type paramName){ // lambda expression code here}也可用引用來傳參：[](Type& paramName){ // lambda expression code here}。

4. 一元謂詞對應的lambda表達式

謂詞可幫助做出決策，一元謂詞是返回bool類型的一元表達式。舉例如下：

[](int& Num){return ((Num % 2) == 0);}

在這裡，返回值的性質是為了讓編譯器知道該lambda表達式的返回類型為bool。在算法中可將lambda表達式用於一元謂詞，如可在find_if中使用上述lambda表達式找出集合中的偶數。如果謂詞返回true，find_if將返回一個指向相應元素的迭代器，指出找到一個滿足條件的元素。

5. 通過捕獲列表接受狀態變量的lambda表達式

對於上面的一元謂詞實現在整數能被2整除時返回true，如果讓它更通用，在數字能被用戶指定除數整除時返回true，可采用狀態變量：

int Divisor = 2;

[Divisor ](int& Num){return ((Num % Divisor ) == 0);}

一系列以狀態變量的方式傳遞的參數，也被稱為lambda表達式的捕獲列表。

6. lambda表達式的通用語法

[StateVar1,StateVar1](Type& param) { // }

如果要在lambda表達式中修改這些狀態變量，可添加關鍵字multable:

[StateVar1, StateVar1](Type& param) multable { // }

這樣便可在lambda表達式中修改捕獲列表[]中指定的變量，但離開lambda表達式後，這些修改便無效，要確保在lambda表達式內部對狀態變量的修改在其外部也有效，應按照引用傳遞它們：

[&StateVar1, &StateVar1](Type& param) { // }

lambda表達式還可以接受多個輸入參數，為此可用逗號分隔：

[StateVar1, StateVar1](Type1& param1，Type2& param2) { // }

如果要向編譯器明確指明返回類型，可使用->，如下：

[StateVar1, StateVar1](Type1& param1，Type2& param2)-> ReturnType { return (value or expression); }

最後，復合語句{}可包含多條用分號分割的語句：如下

[StateVar1, StateVar1](Type1& param1，Type2& param2)-> ReturnType { Statement 1； Statement 2；return (value or expression); }

如果lambda表達式包含多行代碼，必須顯示地指明返回類型。

7. 二元函數對應的lambda表達式

二元函數接受兩個參數，還可返回一個值，與之等價的lambda表達式如下：

[...] (Type1& param1，Type2& param2){ // }

8. 二元謂詞對應的lambda表達式

返回true或false，可幫助決策的二元函數被稱為二元謂詞函數。這種謂詞可用於std::sort等排序算法。

[...] (Type1& param1，Type2& param2){ return bool expression; }

9. 總結

僅當lambda表達式簡潔、高效時才能使用它；

記住lambda表達式總是以[]打頭；

除非使用關鍵字multable進行指定，否則不能修改捕獲列表中指定的狀態變量；

lambda表達式是實現了operator()的匿名類或結構；

注意使用const對參數進行限定；

lambda表達式的語句塊包含多條語句時，要顯式的指定返回類型；

不要使用很長的包含多條語句的lambda表達式，而應轉而使用函數對象，因為每次使用lambda表達式時，都要重新定義它，這無助於提高代碼的重用性。