C++11 新特性详解：Lambda、移动语义与可变参数模板

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

各部分说明：

• [capture-list]：捕捉列表，该列表总是出现在 lambda 函数的开始位置，编译器根据 [] 来判断接下来的代码是否为 lambda 函数，捕捉列表能够捕捉上下文中的变量供 lambda 函数使用。
• (parameters)：参数列表，与普通函数的参数列表一致，如果不需要参数传递，则可以连同 () 一起省略。
• 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）。
• ->returntype：返回值类型，用追踪返回类型形式声明函数的返回值类型，没有返回值时此部分可省略。返回值类型明确情况下，也可省略，由编译器对返回类型进行推导。
• {statement}：函数体，在该函数体内，除了可以使用其参数外，还可以使用所有捕获到的变量。

值得注意的是，在 lambda 函数定义中，参数列表和返回值类型都是可选忽略部分，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：[]{}；该 lambda 函数不能做任何事情。

实战应用

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;
}

因此，lambda 表达式可以这样套用在 sort 里，比仿函数确实方便且可读性更高了。可以看出 lambda 表达式实际是一个匿名函数（无名函数），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。

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

对于捕捉列表 []，平常一般使用的不多，但是某些情况还是要使用的，需要了解其用法。

捕捉列表描述了上下文中那些数据可以被 lambda 使用，以及使用的方式传值还是传引用：

• [x]：表示值传递方式捕捉变量 x。
• [=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量（包括 this）。
• [&x]：表示引用传递捕捉变量 x。
• [&]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量（包括 this）。
• [this]：表示值传递方式捕捉当前的 this 指针。

注意事项：

1. 父作用域指包含 lambda 函数的语句块。
2. lambda 默认以值传递的方式进行，传值捕捉的变量是不可修改的。

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

使用 mutable 关键字就可以修改了，但是这种修改只是对 lambda 内部的副本进行修改，不会影响到原始的变量。在 main 函数中再次输出 x 时，其值仍为 10。

3. 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]，以引用传递的方式捕捉变量 a 和 b，值传递方式捕捉其他所有变量；[&, a, this]，值传递方式捕捉变量 a 和 this，引用方式捕捉其他变量。
4. 捕捉列表不允许变量重复传递，否则就会导致编译错误。
5. 在块作用域以外的 lambda 函数捕捉列表必须为空，在全局作用域中，并没有局部变量可供 lambda 函数捕获。
6. 在块作用域中的 lambda 函数仅能捕捉父作用域中局部变量，捕捉任何非此作用域或者非局部变量都会导致编译报错。
7. lambda 表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同，但是可以拷贝构造（每个 lambda 表达式都有其独特的、未命名的类型。即使两个 lambda 表达式的参数列表和返回类型相同，它们的类型也是不同的）。

底层原理

转到反汇编可以发现，其实 lambda 的本质就是被包装的仿函数，编译器会自动生成一个类，在该类中重载了 operator()。

类的新增特性

移动语义

C++11 新增了两个：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。默认生成的移动构造函数，对于内置类型成员会执行逐成员按字节拷贝，自定义类型成员，则需要看这个成员是否实现移动构造，如果实现了就调用移动构造，没有实现就调用拷贝构造。
• 如果你没有自己实现移动赋值重载函数，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赋值。默认生成的移动构造函数，对于内置类型成员会执行逐成员按字节拷贝，自定义类型成员，则需要看这个成员是否实现移动赋值，如果实现了就调用移动赋值，没有实现就调用拷贝赋值。（默认移动赋值跟上面移动构造完全类似）。
• 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。

显式控制

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，就不会生成移动构造了，那么我们可以使用 default 关键字显示指定移动构造生成。

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），而拷贝构造函数的目的是创建资源的独立副本。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： 例如独占式资源，拷贝会导致资源管理混乱。
• 防止意外拷贝： 开发者希望禁止对象的复制操作，强制使用移动语义。

此时，如果编译器仍然自动生成移动构造函数，可能会破坏这种设计意图。

可变参数模板

概念

其实可变模板参数早在 C 语言就已经有了，后面三个点点点就是可变模板参数，比如：printf("%d,%d,%d", x, y, z)，后面的参数个数是可以自己控制有多少个的，这就是一种可变模板参数。

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

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

回到实际定义，Args 是一个模板参数包，args 是一个函数形参参数包，声明一个参数包 Args... args，这个参数包中可以包含 0 到任意个模板参数。

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;
}

这个用法也是很奇葩。

展开参数包

不知道当初设计怎么想的，这里想要 for 循环遍历展开是不可行的，编译器不支持，所以这里的展开方法做了解即可。

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。

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（如 T），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。

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，但是 mylist.emplace_back(20, 'b') 这种格式的写法更方便一些。其实我们会发现其实差别也不大，emplace_back 是直接构造了，push_back 是先构造，再移动构造，移动构造的消耗很小，其实没啥影响。

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。

函数包装器

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，这三种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 函数模板实例化了三份，明明都是相同的内容，实在是没有必要，会导致模板的效率低下。那么这种时候就需要使用头文件 <functional> 中的 function，function 包装器也叫作适配器。C++ 中的 function 本质是一个类模板，也是一个包装器。

// 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。

下面直接修改以上代码，来展示 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）。

bind

bind 函数定义在头文件中，是一个函数模板，它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，那么 bind 就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。