C++ 理解函数对象与lambda表达式

参考《21天学通C++》第21与第22章节，对函数对象进行介绍，同时通过lambda表达式这一匿名函数对象的简洁方式加深对函数对象的理解。本篇博文的主要内容是：

（1） 函数对象的概念；

（2） 将函数对象用作谓词；

（3） 如何使用函数对象实现一元、二元谓词；

（4） 如何编写lambda表达式；

（5） 如何将lambda表达式用作谓词；

（6） 如何编写可存储和可操作状态的lambda表达式。

一、 函数对象

1. 函数对象的概念和种类

函数对象是C++实体，从概念上讲，函数对象是用作函数的对象；从实现上说，函数对象是实现了operator()的类的对象。虽然函数和函数指针也可视为函数对象，但是吸纳了operator()的类的对象才能保存状态，才能用于标准模板库算法。C++常用于STL算法的函数对象可分为下面两种类型：（1） 一元函数：接受一个参数的函数，如果一元函数返回一个布尔值，称之为谓词；（2）
二元函数：接受两个参数的函数，若返回bool，则称为二元谓词函数。返回bool值得函数对象常常用来进行判断的算法，组合两个函数对象的函数对象称之为自适应函数对象。

2. 函数对象的典型用途

（1） 一元函数的用途

对于STL算法std::for_each()接受三个参数，第一个参数指定范围的起点，第二个参数指定范围的终点，第三个参数是要对指定范围内的每个元素调用的函数。这个函数就可以通过一元谓词实现，举例如下：

template <typename elementType>

struct DisplayElement

{

void operator () (const elementType& element) const

{

cout<< element << ' ';

}

};

vector<int> vectorElement;

for_each(vectorElement.begin(), vectorElement.end(), DisplayElement<int> ());

这样就可以使用STL算法for_each来对指定范围内的数据执行相同的函数方法。这里也可以使用匿名函数对象，即lambda表达式，如下所示，将上面的for_each改造为相同的功能：

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

如果能够使用结构的对象来存储信息，则使用在结构中实现的函数对象的优点将显现出来。

（2） 一元谓词的用途

返回布尔值的一元函数就是谓词，这种函数可用于STL算法的判断。

一元谓词被大量用于STL算法中，例如，std::partition算法使用一元谓词来划分范围，stable_partition算法也使用一元谓词划分范围，但保持元素的相对顺序不变。诸如std::find_if等查找函数以及std::remove_if等删除元素的函数也使用一元谓词，其中std::remove_if删除指定范围内满足谓词条件的元素。

（3） 二元函数的用途

如果函数f(x,y)根据输入参数返回一个值，它将很有用。这种二元函数可用于对两个操作数执行运算，如加减乘除等。同样实现最重要的operator（）。在std::transform等算法中，可使用二元乘积函数计算两个容器内容的点乘。

template <typename elementType>

class Multiply

{

public:

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

{ return (elem1 * elem2);}

}

vector<int> vecMultiplicand, vecMultiplier;

vector<int> vecResult;

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

transform将两个范围的内容相乘，并将结果存储在第三个范围中。这里，这三个范围分别存储在类型std::vector的vecMultiplicand、vecMultiplier和vecResult中。乘法运算是通过调用二元函数Multiply::operator
()执行的，对源范围和目标范围内的每个元素都调用了该函数。operator()的返回值保存在vecResult中。

（4）
二元谓词的用途

接受两个参数并返回一个布尔值的函数是二元谓词，这种函数用于诸如std::sort等STL函数中。使用排序二元谓词实现排序，通过实现operator()来动态排序。

很多STL算法都使用二元谓词，比如删除相邻重复元素的std::unique()、排序算法sort、排序并保持相对顺序的std::stable_sort以及两个范围进行操作的std::transform。

（5） 总结

在结构或类中实现函数对象时，它将比简单函数有用的多，因为它也可用于存储与状态相关的信息。谓词是一类特殊的函数对象。

二、 C++ lambda表达式

1. lambda表示概念

可将lambda表达式视为包含公有operator()的匿名结构（或类），从这种意义上说，lambda表达式属于函数对象。从上面所讲到的进行分析：

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

编译器加到下述lambda表达式时：[](int& element) {
cout << element << ' ';}自动将其展开为类似结构DisplayElement<int>的表示：

struct DisplayElement

{

void operator () (const int& element) const

{

cout<< element << ' ';

}

};

2.
如何定义lambda表达式

以方括号[]打头，告诉编译器，接下来是一个lambda表达式，方括号后面是一个参数列表，该参数列表与不使用lambda表达式时提供给operator()参数列表相同。

3.
一元函数对应的lambda表达式

与一元operator（Type）对应的lambda表达式接收一个参数，定义如下：

[](Type
paramName){ // lambda expression code here}也可用引用来传参：[](Type& paramName){ // lambda expression code here}。

4.
一元谓词对应的lambda表达式

谓词可帮助做出决策，一元谓词是返回bool类型的一元表达式。举例如下：

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

在这里，返回值的性质是为了让编译器知道该lambda表达式的返回类型为bool。在算法中可将lambda表达式用于一元谓词，如可在find_if中使用上述lambda表达式找出集合中的偶数。如果谓词返回true，find_if将返回一个指向相应元素的迭代器，指出找到一个满足条件的元素。

5. 通过捕获列表接受状态变量的lambda表达式

对于上面的一元谓词实现在整数能被2整除时返回true，如果让它更通用，在数字能被用户指定除数整除时返回true，可采用状态变量：

int Divisor = 2;

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

一系列以状态变量的方式传递的参数，也被称为lambda表达式的捕获列表。

6. lambda表达式的通用语法

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

如果要在lambda表达式中修改这些状态变量，可添加关键字multable:

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

这样便可在lambda表达式中修改捕获列表[]中指定的变量，但离开lambda表达式后，这些修改便无效，要确保在lambda表达式内部对状态变量的修改在其外部也有效，应按照引用传递它们：

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

lambda表达式还可以接受多个输入参数，为此可用逗号分隔：

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

如果要向编译器明确指明返回类型，可使用->，如下：

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

最后，复合语句{}可包含多条用分号分割的语句：如下

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

如果lambda表达式包含多行代码，必须显示地指明返回类型。

7.
二元函数对应的lambda表达式

二元函数接受两个参数，还可返回一个值，与之等价的lambda表达式如下：

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

8.
二元谓词对应的lambda表达式

返回true或false，可帮助决策的二元函数被称为二元谓词函数。这种谓词可用于std::sort等排序算法。

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

9.
总结

仅当lambda表达式简洁、高效时才能使用它；

记住lambda表达式总是以[]打头；

除非使用关键字multable进行指定，否则不能修改捕获列表中指定的状态变量；

lambda表达式是实现了operator()的匿名类或结构；

注意使用const对参数进行限定；

lambda表达式的语句块包含多条语句时，要显式的指定返回类型；

不要使用很长的包含多条语句的lambda表达式，而应转而使用函数对象，因为每次使用lambda表达式时，都要重新定义它，这无助于提高代码的重用性。

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2015-8-3