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【C++11】可变参数和lambda表达式

news 来源：原创 2024/9/21 18:57:21

目录

1.可变参数模板

1.1可变参数的模板 

1.2参数包的展开方式 

1.21递归函数展开参数包

 1.3逗号表达式展开参数包

2.STL库中的emplace相关接口

3.lambda表达式 

3.1lambda的引入

3.2lambda的介绍

列表使用 lambda 表达式捕获

lambda实现swap函数 

lambda表达式之间不能相互赋值 

1.可变参数模板

可变参数模板可以说是C++的一大新收获，也是C++11新增的最强大的特性之一，它对参数高度泛化，能够让我们创建可以接受可变参数的函数模板和类模板。但是可变参数模板上手需要一定的技巧性，以及对C++进行初步的认识，所以我们来具体讲解一下。

1.1可变参数的模板 

template<class ...Args>
返回类型 函数名(Args... args)
{ 
   //函数主体
}
//Args+省略号叫做模板参数包，args是函数形参参数包
//Args... args代表参数从0到多个

 例如：

template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{ 
   //函数主体
}
  • 这里的template<>不禁让人想到了类模板和函数模板，这个其实和他很像，只不过那个指定参数了而这个Args...代表这从0到N的模板参数。
  • 最为关键的是Args并不是关键字，只不过大家都用它来形容可变参数模板，你也可以叫他Brgs还可以叫做Crgs我是没有啥意见。

接下来我们用ShowList写一个传入不同参数的代码。

//可变参数
template<class...Args>
void ShowList(Args...args)
{
	cout << sizeof...(args) << endl;  //获取函数包中参数的个数
	
}

接下来传参------》

int main()
{
	string str("hello");
	ShowList();      //0
	ShowList(1);     //1
	ShowList(11,str);  //2
	ShowList(1,'A',string("hello,world"), 12);  //4
}

特别提醒：但是我们无法直接获取参数包中的每个参数，只能通过展开参数包的方式来获取，这是使用可变参数模板的一个主要特点 。语法并不支持使用args[i]的方式来获取参数包中的参数同样也不支持范围for那个。

template<class...Args>
void ShowList(Args...args)
{
	cout << sizeof...(args) << endl;  //打印传入参数的个数
	for (size_t i = 0; i < sizeof...(args); i++)
	{
		cout << args[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

1.2参数包的展开方式 

1.21递归函数展开参数包

这里用到两部分递归函数,但是这两部分递归函数的函数名相同：

  • 递归函数
  • 递归终止函数

递归展开参数包的方式如下：

  • 给函数模板增加一个模板参数，这样就可以从接收到的参数包中分离出一个参数出来。
  • 在函数模板中递归调用该函数模板，调用时传入剩下的参数包。
  • 如此递归下去，每次分离出参数包中的一个参数，直到参数包中的所有参数都被取出来。

每次我们都要先写递归函数，而递归终结函数可以理解为当参数包中所有参数都被取出后，就会调用这个杀死循环的终止函数了。

template<class T,class ...Args>
void ShowList(const T& val, Args... args)
{
	cout << val << " ";
	ShowList(args...);
}

这个可变参数的整体就写好了，最棘手的就是那个递归终结函数了。

此时这个终结函数又会分为两类有参和无参两种情况，这两种情况还不太一样。

我们先看一下无参的情况:

void ShowList()
{
	cout << endl;
}
template<class T,class ...Args>
void ShowList(const T& val, Args... args)
{
	cout << val << " ";
	ShowList(args...);
}

此时当参数包的个数为0个的时候，就会走此函数，完成递归终止。

  • 如果外部调用ShowList函数时就没有传入参数，那么就会直接匹配到无参的递归终止函数。
  • 而我们本意是想让外部调用ShowList函数时匹配的都是函数模板，并不是让外部调用时直接匹配到这个递归终止函数。也就是说这个通道是我的老员工用的并且我也不想借给外界人员用，所以我们不得不再给外部人员提供一个新道路。
//递归终止函数
void ShowListArg()
{
	cout << endl;
}
//展开函数
template<class T, class ...Args>
void ShowListArg(T value, Args... args)
{
	cout << value << " "; //打印传入的若干参数中的第一个参数
	ShowListArg(args...); //将剩下参数继续向下传
}

//外部人员专业通道
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	ShowListArg(args...);
}

带参的情况：

//递归终止函数-------》带参情况
template<class T>
void ShowListArg(const T& val)  //终止函数带参
{
	cout << endl;
}
//展开函数
template<class T, class ...Args>
void ShowListArg(T value, Args... args)
{
	cout << value << " "; //打印传入的若干参数中的第一个参数
	ShowListArg(args...); //将剩下参数继续向下传
}

//外部人员专业通道
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	ShowListArg(args...);
}
int main()
{
	ShowListArg(1,'A',string("hello,world"), 12);  //4
}
  • 当传入参数包中参数的个数为1时，就会传入这个终止函数中。
  • 但该方法有一个弊端就是，我们在调用ShowList函数时必须至少传入一个参数，否则就会报错。因为此时无论是调用递归终止函数还是展开函数，都需要至少传入一个参数。

 1.3逗号表达式展开参数包

C++只允许数组里面是同一种类型，但是模板的可变参数就意味着我参数包的类型并不统一，会出现一会是int，一会是char……。为了解决此问题，我们可以单独封装一层函数（PrintArg），此函数专门用于获得参数包的每个数据并输出，我们可以使用逗号表达式将返回值重新放到数组中。

  • 逗号表达式会从左到右依次计算各个表达式，并且将最后一个表达式的值作为返回值进行返回。
  • 将逗号表达式的最后一个表达式设置为一个整型值，确保逗号表达式返回的是一个整型值。
  • 将处理参数包中参数的动作封装成一个函数，将该函数的调用作为逗号表达式的第一个表达式。
//逗号表达式展开参数包
template<class T>
void PrintArg(const T& t)
{
	cout << t << " ";
}
//展开函数
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	int arr[] = { (PrintArg(args), 0)... }; //列表初始化+逗号表达式
	cout << endl;
}

int main()
{
	ShowList(1,'A',string("hello,world"), 12);  //4
}

  •  可变参数的省略号需要加在逗号表达式外面，表示需要将逗号表达式展开，如果将省略号加在args的后面，那么参数包将会被展开后全部传入PrintArg函数，代码中的{(PrintArg(args), 0)...}将会展开成{(PrintArg(arg1), 0), (PrintArg(arg2), 0)(PrintArg(arg3), 0), etc...}。

2.STL库中的emplace相关接口

 vector - C++ Reference (cplusplus.com) 我们可以进入cplusplus官网搜索vector，就可以看到C++11新增的emplace

template <class... Args>
  void emplace_back (Args&&... args);

 &&不是特指右值引用而是代表左右值引用都可以。

我们以vector的emplace_back和push_back为例进行说明 ：

  • 调用push_back函数插入元素时，可以传入左值对象或者右值对象，也可以使用列表进行初始化。
  • 调用emplace_back函数插入元素时，也可以传入左值对象或者右值对象，但不可以使用列表进行初始化。
  • 除此之外，emplace系列接口最大的特点就是，插入元素时可以传入用于构造元素的参数包。
     
//emplace 相关应用
int main()
{
	vector<pair<int, string> > vec;
	pair<int, string> kv(22, "emplace");
	vec.push_back(kv);                                 //传左值
	vec.push_back(pair<int, string>(1222, "2022"));    //传右值
	vec.push_back({ 30, "abc" });                      //列表初始化

	vec.emplace_back(kv);                              //传左值
	vec.emplace_back(pair<int, string>(1222, "2022")); //传右值
	vec.emplace_back(50, "555");                       //传参数包
	for (auto e : vec)
	{
		cout << e.first << ": " << e.second << endl;
	}
}

由于emplace系列接口的可变模板参数的类型都是万能引用，因此既可以接收左值对象，也可以接收右值对象，还可以接收参数包。

  • 如果调用emplace系列接口时传入的是左值对象，那么首先需要先在此之前调用构造函数实例化出一个左值对象，最终在使用定位new表达式调用构造函数对空间进行初始化时，会匹配到拷贝构造函数。
  • 如果调用emplace系列接口时传入的是右值对象，那么就需要在此之前调用构造函数实例化出一个右值对象，最终在使用定位new表达式调用构造函数对空间进行初始化时，就会匹配到移动构造函数。
  • 如果调用emplace系列接口时传入的是参数包，那就可以直接调用函数进行插入，并且最终在使用定位new表达式调用构造函数对空间进行初始化时，匹配到的是构造函数。

使用emplace的原因：

  1. 之所以说emplace系列接口更高效是因为emplace系列接口最大的特点就是支持传入参数包，用这些参数包直接构造出对象，这样就能减少一次拷贝，
  2. 但emplace系列接口并不是在所有场景下都比原有的插入接口高效，如果传入的是左值对象或右值对象，那么emplace系列接口的效率其实和原有的插入接口的效率是一样的。

3.lambda表达式 

3.1lambda的引入

lambda表达式有如下优点：

  • 声明式编程风格：就地匿名定义目标函数或函数对象，不需要额外写一个命名函数或者函数对象。以更直接的方式去写程序，好的可读性和可维护性。
  • 简洁：不需要额外再写一个函数或者函数对象，避免了代码膨胀和功能分散，让开发者更加集中精力在手边的问题，同时也获取了更高的生产率。
  • 在需要的时间和地点实现功能闭包，使程序更灵活。

但是lambda具体的应用在什么地方？--------->

在学校这个完整的教育系统中老师会根据学生的考试成绩进行排名，而学校会根据班级成绩从而对教师进行考核，现在学校的后勤部要根据这些指标进行升序，降序排列。这里就会用到lambda表达式，这里一般会选择仿函数来指定排序的主要方式。

//lambda表达式
struct Teacher
{
	string _name; // 名字
	double _point; // 班级成绩
	int _evaluate; // 总评分
	Teacher(const char* str, double price, double evaluate)
		:_name(str)
		, _point(price)
		, _evaluate(evaluate)
	{}
};
struct ComparePointLess
{
	bool operator()(const Teacher& gl, const Teacher& gr)
	{
		return gl._point < gr._point;
	}
};
struct ComparePointGreater
{
	bool operator()(const Teacher& gl, const Teacher& gr)
	{
		return gl._point > gr._point;
	}
};
int main()
{
	vector<Teacher> v = { { "李老师", 88, 8.9 }, { "张老师", 91, 8.7 }, { "徐老师", 86,9 }, { "王老师", 87, 8.7 } };
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePointLess());//按成绩升序排
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePointGreater());//按成绩降序排
}

这里我们就可以用lambda表达式解决这个问题了。

int main()
{
	vector<Teacher> v = { { "李老师", 88, 8.9 }, { "张老师", 91, 8.7 }, { "徐老师", 86,9 }, { "王老师", 87, 8.7 } };
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Teacher& g1, const Teacher& g2) {
		return g1._point < g2._point; });
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Teacher& g1, const Teacher& g2) {
		return g1._point > g2._point; });
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Teacher& g1, const Teacher& g2) {
		return g1._evaluate < g2._evaluate; });
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Teacher& g1, const Teacher& g2) {
		return g1._evaluate > g2._evaluate; });
}

3.2lambda的介绍

lambda 表达式定义了一个匿名函数，并且可以捕获一定范围内的变量。lambda 表达式的语法形式可简单归纳如下：

[ capture -list] ( params ) mutable -> return { body; };
  • 其中 capture 是捕获列表，params 是参数表，
  • mutable 默认情况下，lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使参数为空）。
  • return 是返回值类型，body是函数。

lambda函数的参数列表和返回值类型都是可选部分，但捕捉列表和函数体是不可省略的，因此最简单的lambda函数如下：

int main()
{
	[]{}; //最简单的lambda表达式
	return 0;
}

一个完整的 lambda 表达式看起来像这样：

auto f = [](int a) -> int { return a + 1; };
std::cout << f(1) << std::endl; // 输出: 2

需要注意的是，初始化列表不能用于返回值的自动推导：

auto x1 = [](int i){ return i; };  // OK: return type is int
auto x2 = [](){ return { 1, 2 }; };  // error: 无法推导出返回值类型

这时我们需要显式给出具体的返回值类型。
另外，lambda 表达式在没有参数列表时，参数列表是可以省略的。因此像下面的写法都是正确的：

auto f1 = [](){ return 1; };
auto f2 = []{ return 1; };  // 省略空参数表

列表使用 lambda 表达式捕获

lambda 表达式还可以通过捕获列表捕获一定范围内的变量：

  • [] 不捕获任何变量。
  • [&] 捕获外部作用域中所有变量，并作为引用在函数体中使用（按引用捕获）。
  • [bar] 按值捕获 bar 变量，同时不捕获其他变量。
  • [&bar] 按值捕获外部作用域中所有变量，并按引用传递捕获bar变量。
  • [=] 表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量包括this。(按值捕获）。
  • [this] 捕获当前类中的 this 指针，让 lambda 表达式拥有和当前类成员函数同样的访问权限。如果已经使用了 & 或者 =，就默认添加此选项。捕获 this 的目的是可以在 lamda 中使用当前类的成员函数和成员变量。

说明：

  1. 父作用域指的是包含lambda函数的语句块。
  2. 语法上捕捉列表可由多个捕捉项组成，并以逗号分割。比如[=, &a, &b]。
  3. 捕捉列表不允许变量重复传递，否则会导致编译错误。比如[=, a]重复传递了变量a。
  4. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空，即全局lambda函数的捕捉列表必须为空。
  5. 在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中的局部变量，捕捉任何非此作用域或者非局部变量都会导致编译报错。
  6. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同。

lambda实现swap函数 

//lambda实现swap
int main()
{
	int a=5, b=7;
	cout <<"a: " << a <<" " << "b: " << b << endl;
	auto swap = [](int& a, int& b)->void
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	swap(a, b); //别忘了分号
	cout << "a: " << a << " " << "b: " << b << endl;
	
	return 0;
}
  • lambda表达式是一个匿名函数，该函数无法直接调用，如果想要直接调用，可借助auto将其赋值给一个变量，此时这个变量就可以像普通函数一样使用。
  • lambda表达式的函数体在格式上并不是必须写成一行，如果函数体太长可以进行换行，但换行后不要忘了函数体最后还有一个分号。

其实这个代码还可以进行优化，我们还可以利用捕捉列表进行捕捉 ：

int main()
{
	int a=5, b=7;
	cout <<"a: " << a <<" " << "b: " << b << endl;
	//auto swap = [](int& a, int& b)->void
	//{
	//	int tmp = a;
	//	a = b;
	//	b = tmp;
	//};  //不要忘了后面的分号
	//swap(a, b);

	auto swap = [&a, &b]
	{
		int tmp = a;
			a = b;
			b = tmp;
	};
	swap();  //()里面不需要传参
	cout << "a: " << a << " " << "b: " << b << endl;
	return 0;
}

 还有的交换函数会这样写：

auto swap = [a, b]()mutable
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	swap();  //()里面不需要传参
	cout << "a: " << a << " " << "b: " << b << endl;

注意：mutable的作用是取消lambda表达式的常量性，因为lambda总是一个const函数，光取消const属性还是不足以进行交换，这里还需要用到引用传递来捕获变量进行数据交换。

lambda表达式之间不能相互赋值 

注意任何的lambda表达式之间的不能进行相互赋值，即使是两者的类型相同。 

int main()
{
	int a = 5, b = 7;
	cout << "a: " << a << " " << "b: " << b << endl;
	auto swap1 = [](int& a, int& b)->void
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};  //不要忘了后面的分号

	auto swap2 = [](int& a, int& b)->void
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};  //不要忘了后面的分号
	
	cout << typeid(swap1).name() << endl;   // class <lambda_e7c7cc92a6dbdcb2c172418e9e71fa3d>
	cout << typeid(swap2).name() << endl;  //class <lambda_546794a8e16d3f9f8095bf1dc79cdca7>
	return 0;
}
  • lambda表达式之间不能相互赋值，就算是两个一模一样的lambda表达式。
  • 因为lambda表达式底层的处理方式和仿函数是一样的，在VS下，lambda表达式在底层会被处理为函数对象，该函数对象对应的类名叫做<lambda_uuid>。
  • 类名中的uuid叫做通用唯一识别码（Universally Unique Identifier），简单来说，uuid就是通过算法生成一串字符串，保证在当前程序当中每次生成的uuid都不会重复。
  • lambda表达式底层的类名包含uuid，这样就能保证每个lambda表达式底层类名都是唯一的。
  • 因此每个lambda表达式的类型都是不同的，这也就是lambda表达式之间不能相互赋值的原因，我们可以通过typeid(变量名).name()的方式来获取lambda表达式的类型。

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