第四部分-语言运行期的强化

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语言运行期的强化

1.Lambda表达式

基本语法

捕获列表 mutable(可选) 异常属性 -> 返回类型 {
// 函数体
}

捕获

捕获提供了 Lambda 表达式对外部值进行使用的功能，捕获列表的最常用的四种形式可以是：
[] 空捕获列表
[name1, name2, …] 捕获一系列变量
[&] 引用捕获, 让编译器自行推导引用列表
[=] 值捕获, 让编译器自行推导值捕获列表

表达式捕获
上面提到的值捕获、引用捕获都是已经在外层作用域声明的变量，因此这些捕获方式捕获的均为左值，而不能捕获右值。

C++14 给与了我们方便，允许捕获的成员用任意的表达式进行初始化，这就允许了右值的捕获， 被声明的捕获变量类型会根据表达式进行判断，判断方式与使用 auto 本质上是相同的：

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#include <iostream>
#include <memory>  // std::make_unique
#include <utility> // std::move

void lambda_expression_capture() {
    auto important = std::make_unique<int>(1);
    auto add = [v1 = 1, v2 = std::move(important)](int x, int y) -> int {
        return x+y+v1+(*v2);
    };
    std::cout << add(3,4) << std::endl;
}

在上面的代码中，important 是一个独占指针，是不能够被 “=” 值捕获到，这时候我们可以将其转移为右值，在表达式中初始化。

泛型Lambda

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auto add = [](auto x, auto y) {
    return x+y;
};

add(1, 2);
add(1.1, 2.2);

2.函数对象包装器

std::function

Lambda 表达式的本质是一个和函数对象类型相似的类类型（称为闭包类型）的对象（称为闭包对象）， 当 Lambda 表达式的捕获列表为空时，闭包对象还能够转换为函数指针值进行传递，例如：

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#include <iostream>

using foo = void(int); // 定义函数类型, using 的使用见上一节中的别名语法
void functional(foo f) { // 参数列表中定义的函数类型 foo 被视为退化后的函数指针类型 foo*
    f(1); // 通过函数指针调用函数
}

int main() {
    auto f = [](int value) {
        std::cout << value << std::endl;
    };
    functional(f); // 传递闭包对象，隐式转换为 foo* 类型的函数指针值
    f(1); // lambda 表达式调用
    return 0;
}

上面的代码给出了两种不同的调用形式，一种是将 Lambda 作为函数类型传递进行调用， 而另一种则是直接调用 Lambda 表达式，在 C++11 中，统一了这些概念，将能够被调用的对象的类型， 统一称之为可调用类型。而这种类型，便是通过 std::function 引入的。

C++11 std::function 是一种通用、多态的函数封装， 它的实例可以对任何可以调用的目标实体进行存储、复制和调用操作， 它也是对 C++ 中现有的可调用实体的一种类型安全的包裹（相对来说，函数指针的调用不是类型安全的）， 换句话说，就是函数的容器。当我们有了函数的容器之后便能够更加方便的将函数、函数指针作为对象进行处理。 例如：

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#include <functional>
#include <iostream>

int foo(int para) {
    return para;
}

int main() {
    // std::function 包装了一个返回值为 int, 参数为 int 的函数
    std::function<int(int)> func = foo;

    int important = 10;
    std::function<int(int)> func2 = [&](int value) -> int {
        return 1+value+important;
    };
    std::cout << func(10) << std::endl;
    std::cout << func2(10) << std::endl;
}

std::bind 和 std::placeholder

std::bind 则是用来绑定函数调用的参数的， 它解决的需求是我们有时候可能并不一定能够一次性获得调用某个函数的全部参数，通过这个函数， 我们可以将部分调用参数提前绑定到函数身上成为一个新的对象，然后在参数齐全后，完成调用。 例如：

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int foo(int a, int b, int c) {
    ;
}
int main() {
    // 将参数1,2绑定到函数 foo 上，
    // 但使用 std::placeholders::_1 来对第一个参数进行占位
    auto bindFoo = std::bind(foo, std::placeholders::_1, 1,2);
    // 这时调用 bindFoo 时，只需要提供第一个参数即可
    bindFoo(1);
}

3.右值引用

左值、右值、将亡值、纯右值

左值 (lvalue, left value)，顾名思义就是赋值符号左边的值。准确来说， 左值是表达式（不一定是赋值表达式）后依然存在的持久对象。
右值 (rvalue, right value)，右边的值，是指表达式结束后就不再存在的临时对象。

而 C++11 中为了引入强大的右值引用，将右值的概念进行了进一步的划分，分为：纯右值、将亡值。

纯右值 (prvalue, pure rvalue)，纯粹的右值，要么是纯粹的字面量，例如 10, true； 要么是求值结果相当于字面量或匿名临时对象，例如 1+2。非引用返回的临时变量、运算表达式产生的临时变量、 原始字面量、Lambda 表达式都属于纯右值。
需要注意的是，字面量除了字符串字面量以外，均为纯右值。而字符串字面量是一个左值，类型为 const char 数组

将亡值 (xvalue, expiring value)，是 C++11 为了引入右值引用而提出的概念（因此在传统 C++ 中， 纯右值和右值是同一个概念），也就是即将被销毁、却能够被移动的值。

右值引用和左值引用

要拿到一个将亡值，就需要用到右值引用：T &&，其中 T 是类型。 右值引用的声明让这个临时值的生命周期得以延长、只要变量还活着，那么将亡值将继续存活。

C++11 提供了 std::move 这个方法将左值参数无条件的转换为右值， 有了它我们就能够方便的获得一个右值临时对象，例如：

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#include <iostream>
#include <string>

void reference(std::string& str) {
    std::cout << "左值" << std::endl;
}
void reference(std::string&& str) {
    std::cout << "右值" << std::endl;
}

int main()
{
    std::string lv1 = "string,"; // lv1 是一个左值
    // std::string&& r1 = lv1; // 非法, 右值引用不能引用左值
    std::string&& rv1 = std::move(lv1); // 合法, std::move可以将左值转移为右值
    std::cout << rv1 << std::endl; // string,

    const std::string& lv2 = lv1 + lv1; // 合法, 常量左值引用能够延长临时变量的生命周期
    // lv2 += "Test"; // 非法, 常量引用无法被修改
    std::cout << lv2 << std::endl; // string,string,

    std::string&& rv2 = lv1 + lv2; // 合法, 右值引用延长临时对象生命周期
    rv2 += "Test"; // 合法, 非常量引用能够修改临时变量
    std::cout << rv2 << std::endl; // string,string,string,Test

    reference(rv2); // 输出左值

    return 0;
}

rv2 虽然引用了一个右值，但由于它是一个引用，所以 rv2 依然是一个左值。

移动语义

传统 C++ 通过拷贝构造函数和赋值操作符为类对象设计了拷贝/复制的概念，但为了实现对资源的移动操作， 调用者必须使用先复制、再析构的方式，否则就需要自己实现移动对象的接口。 试想，搬家的时候是把家里的东西直接搬到新家去，而不是将所有东西复制一份（重买）再放到新家、 再把原来的东西全部扔掉（销毁），这是非常反人类的一件事情。

传统的 C++ 没有区分『移动』和『拷贝』的概念，造成了大量的数据拷贝，浪费时间和空间。 右值引用的出现恰好就解决了这两个概念的混淆问题，例如：

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#include <iostream>
class A {
public:
    int *pointer;
    A():pointer(new int(1)) {
        std::cout << "构造" << pointer << std::endl;
    }
    A(A& a):pointer(new int(*a.pointer)) {
        std::cout << "拷贝" << pointer << std::endl;
    } // 无意义的对象拷贝
    A(A&& a):pointer(a.pointer) {
        a.pointer = nullptr;
        std::cout << "移动" << pointer << std::endl;
    }
    ~A(){
        std::cout << "析构" << pointer << std::endl;
        delete pointer;
    }
};
// 防止编译器优化
A return_rvalue(bool test) {
    A a,b;
    if(test) return a; // 等价于 static_cast<A&&>(a);
    else return b;     // 等价于 static_cast<A&&>(b);
}
int main() {
    A obj = return_rvalue(false);
    std::cout << "obj:" << std::endl;
    std::cout << obj.pointer << std::endl;
    std::cout << *obj.pointer << std::endl;
    return 0;
}

在上面的代码中：

首先会在 return_rvalue 内部构造两个 A 对象，于是获得两个构造函数的输出；
函数返回后，产生一个将亡值，被 A 的移动构造（A(A&&)）引用，从而延长生命周期，并将这个右值中的指针拿到，保存到了 obj 中，而将亡值的指针被设置为 nullptr，防止了这块内存区域被销毁。
从而避免了无意义的拷贝构造，加强了性能。再来看看涉及标准库的例子:

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#include <iostream> // std::cout
#include <utility> // std::move
#include <vector> // std::vector
#include <string> // std::string

int main() {

    std::string str = "Hello world.";
    std::vector<std::string> v;

    // 将使用 push_back(const T&), 即产生拷贝行为
    v.push_back(str);
    // 将输出 "str: Hello world."
    std::cout << "str: " << str << std::endl;

    // 将使用 push_back(const T&&), 不会出现拷贝行为
    // 而整个字符串会被移动到 vector 中，所以有时候 std::move 会用来减少拷贝出现的开销
    // 这步操作后, str 中的值会变为空
    v.push_back(std::move(str));
    // 将输出 "str: "
    std::cout << "str: " << str << std::endl;

    return 0;
}

完美转发

一个声明的右值引用其实是一个左值。这就为我们进行参数转发（传递）造成了问题：

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void reference(int& v) {
    std::cout << "左值" << std::endl;
}
void reference(int&& v) {
    std::cout << "右值" << std::endl;
}
template <typename T>
void pass(T&& v) {
    std::cout << "普通传参:";
    reference(v); // 始终调用 reference(int&)
}
int main() {
    std::cout << "传递右值:" << std::endl;
    pass(1); // 1是右值, 但输出是左值

    std::cout << "传递左值:" << std::endl;
    int l = 1;
    pass(l); // l 是左值, 输出左值

    return 0;
}

对于 pass(1) 来说，虽然传递的是右值，但由于 v 是一个引用，所以同时也是左值。 因此 reference(v) 会调用 reference(int&)，输出『左值』。

引用坍缩规则：在传统 C++ 中，我们不能够对一个引用类型继续进行引用， 但 C++ 由于右值引用的出现而放宽了这一做法，从而产生了引用坍缩规则，允许我们对引用进行引用， 既能左引用，又能右引用。但是却遵循如下规则：

函数形参类型 实参参数类型 推导后函数形参类型
T& 左引用 T&
T& 右引用 T&
T&& 左引用 T&
T&& 右引用 T&&
只有函数形参为右引用，实参也为右引用时才能被推导成右引用类型

完美转发就是基于上述规律产生的。所谓完美转发，就是为了让我们在传递参数的时候， 保持原来的参数类型（左引用保持左引用，右引用保持右引用）。 为了解决这个问题，我们应该使用 std::forward 来进行参数的转发（传递）

std::forward 和 std::move 一样，没有做任何事情，std::move 单纯的将左值转化为右值， std::forward 也只是单纯的将参数做了一个类型的转换，从现象上来看， std::forward(v) 和 static_cast<T&&>(v) 是完全一样的。

因此：在使用循环语句的过程中，auto&& 是最安全的方式