C++11 核心新特性实战：Lambda、移动语义与模板

C++11 核心新特性实战：Lambda、移动语义与模板

1. Lambda 表达式

1.1 引入

Lambda 表达式本质上是一种匿名函数对象，允许直接在代码中定义小型函数，省去了额外定义函数或函数对象类的麻烦。理论描述往往枯燥，不如直接看场景。

以前我们想对自定义结构体排序，得写个仿函数类：

struct Goods {
    string _name;   // 名字
    double _price;  // 价格
    int _evaluate;  // 评价
    Goods(const char* str, double price, int evaluate) : _name(str), _price(price), _evaluate(evaluate) {}
};

struct ComparePriceLess {
    bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr) {
        return gl._price < gr._price;
    }
};

int main() {
    vector<Goods> v = {{"苹果", 2.1, 5}, {"香蕉", 3, 4}, {"橙子", 2.2, 3}, {"菠萝", 1.5, 4}};
    sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
    sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
}

商品排序需要用到算法库的 sort，设置自定义比较方式时，仿函数确实是个好选择。但随着 C++ 语法演进，这种写法显得过于繁琐。每次为了一个算法逻辑都要重新写个类，如果比较逻辑不同还得实现多个类，命名也容易冲突。于是 C++11 引入了 Lambda 表达式。

1.2 语法

Lambda 表达式书写格式：

[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { statement }

各部分说明如下：

• [capture-list]：捕捉列表，总是出现在 Lambda 函数开始位置。编译器根据 [] 判断后续代码是否为 Lambda 函数，它能捕捉上下文中的变量供 Lambda 使用。
• (parameters)：参数列表，与普通函数一致。若不需要参数，可连同 () 一起省略。
• mutable：默认情况下 Lambda 函数是 const 的，mutable 可取消其常量性。使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使为空）。
• ->returntype：返回值类型，用追踪返回类型形式声明。无返回值时可省略。若返回值类型明确，也可由编译器推导省略。
• {statement}：函数体，可使用参数及所有捕获到的变量。

注意： 参数列表和返回值类型都是可选忽略的，而捕捉列表和函数体可以为空。因此 C++11 中最简单的 Lambda 函数为 []{}，虽然它不能做任何事情。

1.3 使用

有了 Lambda，上面的排序代码可以简化成这样：

int main() {
    vector<Goods> v = {{"苹果", 2.1, 5}, {"香蕉", 3, 4}, {"橙子", 2.2, 3}, {"菠萝", 1.5, 4}};
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) -> bool {
        return g1._price < g2._price;
    });
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) -> bool {
        return g1._price > g2._price;
    });
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) -> bool {
        return g1._evaluate < g2._evaluate;
    });
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) -> bool {
        return g1._evaluate > g2._evaluate;
    });
    return 0;
}

相比仿函数，Lambda 的可读性和便捷性高了很多。它实际上是一个匿名函数，无法直接调用，但可以用 auto 赋值给变量：

auto ret = [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
    return g1._evaluate < g2._evaluate;
};

关于捕捉列表 []，平时用得不多，但某些场景必须掌握。它描述了上下文中哪些数据可以被 Lambda 使用，以及传值还是传引用：

• [x]：值传递捕捉变量 x
• [=]：值传递捕捉所有父作用域中的变量（包括 this）
• [&x]：引用传递捕捉变量 x
• [&]：引用传递捕捉所有父作用域中的变量（包括 this）
• [this]：值传递捕捉当前的 this 指针

值得注意的点：

1. 父作用域指包含 Lambda 函数的语句块。
2. Lambda 默认以值传递方式工作，传值捕捉的变量在 Lambda 内部是不可修改的。

int main() {
    int x = 10;
    auto func = [x]() mutable {
        x = 20;
        cout << x << endl;
    };
    func();
    cout << x << endl;
    return 0;
}

加上 mutable 关键字就可以修改了，但这只是修改 Lambda 内部的副本，不会影响原始变量。再次输出 x 时，其值仍为 10。

3. 语法上捕捉列表可由多个项组成，逗号分割。例如 [=, &a, &b] 表示引用传递 a 和 b，其他变量值传递；[&, a, this] 表示值传递 a 和 this，引用其他变量。
4. 捕捉列表不允许变量重复传递，否则编译报错。
5. 块作用域以外的 Lambda 函数捕捉列表必须为空，全局作用域中没有局部变量可供捕获。
6. 块作用域中的 Lambda 仅能捕捉父作用域中局部变量，捕捉非此作用域或非局部变量会报错。
7. Lambda 表达式之间不能相互赋值，即使类型相同，因为每个 Lambda 都有独特的未命名类型。

1.4 本质

Lambda 的本质是被包装的仿函数。转到反汇编可以看到，编译器会自动生成一个类，在该类中重载了 operator()。

2. 类的新增语法

2.1 移动构造、移动赋值运算符

C++11 新增了移动构造函数和移动赋值运算符重载。如果你没有自己实现移动构造函数，且没有实现析构函数、拷贝构造、拷贝赋值重载中的任意一个，那么编译器会自动生成一个默认移动构造。对于内置类型成员执行逐字节拷贝，自定义类型成员则看是否实现了移动构造，没实现就调用拷贝构造。

同理，如果你没有实现移动赋值重载，且满足上述条件，编译器也会自动生成默认移动赋值。如果你提供了移动构造或者移动赋值，编译器不会自动提供拷贝构造和拷贝赋值。

2.2 default

class Person {
public:
    Person(const char* name = "", int age = 0) : _name(name), _age(age) {}
    Person(const Person& p) : _name(p._name), _age(p._age) {}
    Person(Person&& p) = default;
private:
    std::string _name;
    int _age;
};

int main() {
    Person s1;
    Person s2 = s1;
    Person s3 = std::move(s1);
    return 0;
}

default 是强制生成默认函数的关键字。我们提供了拷贝构造后，编译器就不会再生成移动构造了，此时可以使用 default 显式指定移动构造生成。

2.3 delete

class Person {
public:
    Person(const char* name = "", int age = 0) : _name(name), _age(age) {}
    Person(const Person& p) = delete;
private:
    std::string _name;
    int _age;
};

int main() {
    Person s1;
    Person s2 = s1;
    Person s3 = std::move(s1);
    return 0;
}

delete 是禁止生成默认函数的关键字。当类显式删除了拷贝构造函数时，编译器不会自动生成移动构造函数（即使没有显式删除移动构造函数）。代码中没有显式定义移动构造函数，且隐式移动构造函数被禁用，因此无法完成移动初始化。

注意： 移动构造函数的核心目的是高效转移资源所有权（如动态内存、文件句柄等），而拷贝构造函数是创建独立副本。如果一个类禁用了拷贝构造函数，通常意味着资源不可复制或防止意外拷贝。此时若编译器仍自动生成移动构造函数，可能会破坏设计意图。

3. 可变参数模板

3.1 概念

其实可变模板参数早在 C 语言就有了，比如 printf("%d,%d,%d", x, y, z)，后面的参数个数可以自己控制，这就是可变参数。回到 C++ 模板定义：

template<class... Args>
void ShowList(Args... args) {}

int main() {
    ShowList();
    ShowList(1);
    ShowList(1, 2.2);
    ShowList(1, 2, "xxxxx");
    return 0;
}

Args 是模板参数包，args 是函数形参参数包。声明 Args... args 可以包含 0 到任意个模板参数。

3.2 获取个数

template<class... Args>
void ShowList(Args... args) {
    cout << sizeof...(args) << endl;
}

int main() {
    ShowList();
    ShowList(1);
    ShowList(1, 2.2);
    ShowList(1, 2, "xxxxx");
    return 0;
}

这个用法虽然有点奇葩，但在调试或元编程时很有用。

3.3 展开参数包

想要用 for 循环遍历展开是不可行的，编译器不支持。这里主要有两种展开方法。

3.3.1 递归函数

// 递归终止函数
template<class T>
void ShowList(const T& t) {
    cout << t << endl;
}

// 展开函数
template<class T, class... Args>
void ShowList(T value, Args... args) {
    cout << value << " ";
    ShowList(args...);
}

int main() {
    ShowList(1);
    ShowList(1, 'A');
    ShowList(1, 'A', string("sort"));
    return 0;
}

模式匹配： 展开函数 ShowList(T value, Args... args) 匹配至少一个参数的情况，每次取出第一个参数 value，剩余参数构成新的参数包 args...。终止函数 ShowList(const T& t) 匹配仅有一个参数的情况，结束递归。

参数包展开： args... 在递归调用时会被解包，每次减少一个参数，直到参数包为空。关键语句 ShowList(args...) 会触发模板的递归实例化，直到匹配终止函数。

输出顺序： 先打印当前参数 value，再递归处理剩余参数，确保参数按传入顺序输出。

3.3.2 逗号表达式

template<class T>
void PrintArg(T t) {
    cout << t << " ";
}

// 展开函数
template<class... Args>
void ShowList(Args... args) {
    int arr[] = {(PrintArg(args), 0)...};
    cout << endl;
}

int main() {
    ShowList(1);
    ShowList(1, 'A');
    ShowList(1, 'A', string("sort"));
    return 0;
}

(PrintArg(args), 0)... 会将参数包 args... 展开为多个表达式，打印对应的值，然后返回 0 用于填充数组。

// 原始代码
int arr[] = {(PrintArg(args), 0)...};
// 展开后等价于
int arr[] = {(PrintArg(1), 0), (PrintArg('A'), 0), (PrintArg("sort"), 0)};

PrintArg 的返回值是 void，无法初始化 int 数组。即使 PrintArg 返回参数类型，参数包可能包含不同类型（如 int, char），仍会导致类型不匹配。每个元素必须是 int 类型，因此需要用 0 作为统一的返回值，保证初始化的数组元素都为相同类型。

3.4 emplace 系列的接口

int main() {
    list<pair<int, char>> mylist;
    mylist.emplace_back(10, 'a');
    mylist.emplace_back(20, 'b');
    mylist.emplace_back(make_pair(30, 'c'));
    mylist.push_back(make_pair(40, 'd'));
    mylist.push_back({50, 'e'});
    for (auto e : mylist)
        cout << e.first << ":" << e.second << endl;
    return 0;
}

emplace_back 的作用和 push_back 相同，但 mylist.emplace_back(20, 'b') 这种写法更方便一些。其实差别不大，emplace_back 是直接构造，push_back 是先构造再移动构造，移动构造消耗很小，实际影响有限。

3.5 可变参数模板的实际应用

class Date {
public:
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) : _year(year), _month(month), _day(day) {
        cout << "Date 构造" << endl;
    }
    Date(const Date& d) : _year(d._year), _month(d._month), _day(d._day) {
        cout << "Date 拷贝构造" << endl;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

template<class... Args>
Date* Create(Args... args) {
    Date* ret = new Date(args...);
    return ret;
}

int main() {
    list<Date> lt;
    Date d(2023, 9, 27); // 只能传日期类对象
    lt.push_back(d);
    // 既能传日期类对象，又能传日期类对象的参数包
    // 参数包一路往下传，直接去构造或者拷贝构造节点中日期类对象
    lt.emplace_back(d);
    lt.emplace_back(2023, 9, 27);
    return 0;
}

push_back 只能传日期类对象，emplace_back 既能传日期类对象，又能传日期类对象的参数包。参数包一路往下传，直接去构造或者拷贝构造节点中日期类对象。

4. 包装器

4.1 function

template<class F, class T>
T useF(F f, T x) {
    static int count = 0;
    cout << "count:" << ++count << endl;
    cout << "count:" << &count << endl;
    return f(x);
}

double f(double i) {
    return i / 2;
}

struct Functor {
    double operator()(double d) {
        return d / 3;
    }
};

int main() {
    // 函数名
    cout << useF(f, 11.11) << endl;
    // 函数对象
    cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;
    // Lambda 表达式
    cout << useF([](double d) -> double { return d / 4; }, 11.11) << endl;
    return 0;
}

我们知道函数指针、仿函数、Lambda 表达式都是函数对象的创建方式。同时调用这三个方式实例化模板，useF 函数模板会实例化三份，明明内容相同，没必要导致模板效率低下。这时候就需要 <functional> 头文件中的 function 包装器。

function 也叫作适配器，本质是一个类模板。

// 类模板原型如下
template<class T> function; // undefined
template<class Ret, class... Args>
class function<Ret(Args...)>;

模板参数说明：

• Ret：被调用函数的返回类型
• Args...：被调用函数的形参

下面修改代码展示 function 的使用效果：

template<class F, class T>
T useF(F f, T x) {
    static int count = 0;
    cout << "count:" << ++count << endl;
    cout << "count:" << &count << endl;
    return f(x);
}

double f(double i) {
    return i / 2;
}

struct Functor {
    double operator()(double d) {
        return d / 3;
    }
};

int main() {
    // 函数名
    function<double(double)> func1 = f;
    cout << useF(func1, 11.11) << endl;
    // 函数对象
    function<double(double)> func2 = Functor();
    cout << useF(func2, 11.11) << endl;
    // Lambda 表达式
    function<double(double)> func3 = [](double d) -> double { return d / 4; };
    cout << useF(func3, 11.11) << endl;
    return 0;
}

三种可调用对象被统一为同一类型：包装类。模板只实例化一次，静态变量共享（即这个 count 只有一份）。

4.2 bind

bind 函数定义在头文件中，是一个函数模板，就像一个函数包装器（适配器），接受一个可调用对象，生成一个新的可调用对象来'适应'原对象的参数列表。

bind 可以理解为一个接收包装类的适配器。上面的例子都是直接将函数给到包装类，而 bind 是将特定的函数和参数绑定到包装类。通过例子解析会更容易理解：

int Plus(int a, int b) {
    return a + b;
}

class Sub {
public:
    int sub(int a, int b) {
        return a - b;
    }
};

int main() {
    // 表示绑定函数 plus 参数分别由调用 func1 的第一、二个参数指定
    std::function<int(int, int)> func1 = std::bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);
    // auto func1 = std::bind(Plus, placeholders::_1, placeholders::_2);
    // func2 的类型为 function<void(int, int, int)> 与 func1 类型一样
    // 表示绑定函数 plus 的第一、二为：1，2
    auto func2 = std::bind(Plus, 1, 2);
    cout << func1(1, 2) << endl;
    cout << func2() << endl;

    Sub s;
    // 绑定成员函数
    std::function<int(int, int)> func3 = std::bind(&Sub::sub, s, placeholders::_1, placeholders::_2);
    // 参数调换顺序
    std::function<int(int, int)> func4 = std::bind(&Sub::sub, s, placeholders::_2, placeholders::_1);
    cout << func3(1, 2) << endl;
    cout << func4(1, 2) << endl;
    return 0;
}

bind 的第一个参数传的是函数，后面的是一系列要传的参数，_1 为第一个参数，_2 为第二个参数，以此类推。参数既可以是待定的，也可以是具体的值。placeholders 属于 std 命名空间，若展开了就不用写。

注意：

• 若函数是非静态成员函数，必须在 Sub::sub 前加上 &，因为非静态成员函数依赖对象，必须显式调用其地址。普通函数指针直接指向代码地址，而成员函数指针需要同时包含类的类型信息和函数地址，因此还需要将对象 s 传过去。
• 若函数是静态成员函数，和普通函数一样都是全局函数，就不需要加 & 和传对象。