【從零學C++11（下）】lambda表達式、線程庫、原子操作庫等新特性

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10. lambda表達式【★】

例如在C++98中，如果想要對一個數據集合中的元素進行排序，可以使用std::sort方法，具體如下：

#include <algorithm>
#include <functional>
int main(){
	int array[] = {4,1,8,5,3,7,0,9,2,6};
	
	// 默認按照小於比較，排出來結果是升序
	std::sort(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
	for (auto& e : array) {
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	
	// 如果需要降序，需要改變元素的比較規則
	std::sort(array, array + sizeof(array)/sizeof(array[0]),greater<int>());
	for (auto& e : array) {
		cout << e << " ";
	}
	
	return 0;
}

輸出結果：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

如果待排序元素爲自定義類型，需要用戶定義排序時的比較規則：

struct Goods{
	string _name;
	double _price;
};

struct Compare{		//仿函數	
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){
		return gl._price <= gr._price;
	}
};

int main(){
	Goods gds[] = { { "蘋果", 2.1 }, { "香蕉", 3 }, { "橙子", 2.2 }, {"菠蘿", 1.5} };
	sort(gds, gds+sizeof(gds) / sizeof(gds[0]), Compare());
	for (auto& e : gds) {
		cout << e._name << ':' << e._price << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

輸出結果：

隨着C++語法的發展，人們開始覺得上面的寫法太複雜了，每次爲了實現一個algorithm算法， 都要重新去寫一個類 / 仿函數，如果每次比較的邏輯不一樣，還要去實現多個類，特別是相同類的命名，這些都給編程者帶來了極大的不便。因此，在C++11語法中出現了Lambda表達式：

int main(){
	Goods gds[] = { { "蘋果", 2.1 }, { "相交", 3 }, { "橙子", 2.2 }, {"菠蘿", 1.5} };
	
	sort(gds, gds + sizeof(gds) / sizeof(gds[0]), [](const Goods& l, const Goods& r){
		return l._price < r._price;
		}
	);
	return 0;
}

上述代碼就是使用C++11中的lambda表達式來解決，可以看出lambda表達式實際是一個匿名函數。

語法

格式：

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

1. [capture-list] : 捕捉列表。
   該列表總是出現在lambda函數的開始位置，編譯器根據[]來判斷接下來的代碼是否爲lambda函數，捕捉列表能夠捕捉上下文中的變量供lambda函數使用。
2. (parameters)：參數列表。
   與普通函數的參數列表一致，如果不需要參數傳遞，則可以連同()一起省略。
3. mutable：默認情況下，lambda函數總是一個const函數，mutable可以取消其常量性。使用該修飾符時，參數列表不可省略(即使參數爲空)。
4. ->return-type：返回值類型。
   用追蹤返回類型形式聲明函數的返回值類型，沒有返回值時此部分可省略。返回值類型明確情況下，也可省略，由編譯器對返回類型進行推導。
5. {statement}：函數體。
   在該函數體內，除了可以使用其參數外，還可以使用所有捕獲到的變量。

注意： 在lambda函數定義中，參數列表和返回值類型都是可選部分，而捕捉列表和函數體可以爲空。

• 因此C++11中最簡單的lambda函數爲：[]{}; ，該lambda函數不能做任何事情。

int main(){
	// 最簡單的lambda表達式, 該lambda表達式沒有任何意義
	[]{};
	
	// 省略參數列表和返回值類型，返回值類型由編譯器推導爲int
	int a = 3, b = 4;
	[=]{return a + 3; };
	
	// 省略了返回值類型，無返回值類型
	auto fun1 = [&](int c){b = a + c; };		//匿名函數在此體現
	fun1(10);
	cout << a << " " << b << endl;
	
	// 各部分都很完善的lambda函數
	auto fun2 = [=, &b](int c)->int{ return b += a + c; };
	cout << fun2(10) << endl;
	
	// 複製捕捉x
	int x = 10;
	auto add_x = [x](int a) mutable { x *= 2; return a + x; };
	cout << add_x(10) << endl;
	return 0;
}

輸出結果：

3 13
26
30

通過上述代碼可以看出，lambda表達式實際上可以理解爲無名函數，該函數無法直接調用，如果想要直接調用，可藉助auto將其賦值給一個變量。

捕獲列表

捕捉列表描述了上下文中那些數據可以被lambda使用，以及使用的方式傳值還是傳引用。

• [var]：表示值傳遞方式捕捉變量var
• [=]：表示值傳遞方式捕獲所有父作用域中的變量(包括this)
• [&var]：表示引用傳遞捕捉變量var
• [&]：表示引用傳遞捕捉所有父作用域中的變量(包括this)
• [this]：表示值傳遞方式捕捉當前的this指針

【注】：

1. 父作用域指包含lambda函數的語句塊
2. 語法上捕捉列表可由多個捕捉項組成，並以逗號分割。
   比如：[=, &a, &b]：以引用傳遞的方式捕捉變量a和b，值傳遞方式捕捉其他所有變量
   [&，a, this]：值傳遞方式捕捉變量a和this，引用方式捕捉其他變量
3. 捕捉列表不允許變量重複傳遞，否則就會導致編譯錯誤。
   比如：[=, a]：=已經以值傳遞方式捕捉了所有變量，捕捉a重複
4. 在塊作用域以外的lambda函數捕捉列表必須爲空。
5. 在塊作用域中的lambda函數僅能捕捉父作用域中局部變量，捕捉任何非此作用域或者非局部變量都會導致編譯報錯。
6. lambda表達式之間不能相互賦值，即使看起來類型相同。

void (*PF)();

int main(){
	auto f1 = []{cout << "hello world" << endl; };
	auto f2 = []{cout << "hello world" << endl; };
	
	f1 = f2; 	// 編譯失敗--->提示找不到operator=()
	
	// 允許使用一個lambda表達式拷貝構造一個新的副本
	auto f3(f2);
	f3();
	
	// 可以將lambda表達式賦值給相同類型的函數指針
	PF = f2;
	PF();
	return 0;
}

函數對象與lambda表達式對比

• 函數對象，又稱爲仿函數，即可以像函數一樣使用的對象，是在類中重載了operator()運算符的類對象。

class Rate{
public:
	Rate(double rate) 
	 : _rate(rate)
	{}
	double operator()(double money, int year){
		return money * _rate * year;
	}
private:
	double _rate;
};

int main(){
	// 函數對象
	double rate = 0.49;
	Rate r1(rate);
	r1(10000, 2);
	
	// lambda
	auto r2 = [=](double monty, int year)->double {return monty * rate*year; };
	r2(10000, 2);
	return 0;
}

從使用方式上來看，函數對象與lambda表達式完全一樣。

函數對象將rate作爲其成員變量，在定義對象時給出初始值即可，lambda表達式通過捕獲列表可以直接將該變量捕獲到。

• 實際在底層編譯器對於lambda表達式的處理方式完全就是按照函數對象的方式處理的：
  如果定義了一個lambda表達式，編譯器會自動生成一個類，在該類中重載了operator()。

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11. 線程庫【★】

C++11中很重要的特性之一就是對線程進行支持了，使得C++在並行編程時不需要依賴第三方庫，而且在原子操作中還引入了原子類的概念。要使用標準庫中的線程，必須包含< thread >頭文件，該頭文件聲明瞭std::thread 線程類。

官方文檔：【http://www.cplusplus.com/reference/thread/thread/?kw=thread】

演示：

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void fun(){
	cout << "A new thread!" << endl;
}
int main(){
	thread t(fun);
	t.join();
	cout << "Main thread!" << endl;
	return 0;
}

線程的啓動

C++線程庫通過構造一個線程對象來啓動一個線程，該線程對象中就包含了線程運行時的上下文環境，比如：線程函數、線程棧、線程起始狀態等以及線程ID等，所有操作全部封裝在一起，最後在底層統一傳遞給_beginthreadex()創建線程函數來實現

【注】：_beginthreadex是windows中創建線程的底層c函數)。

std::thread()創建一個新的線程可以接受任意的可調用對象類型（帶參數或者不帶參數），包括lambda表達式（帶變量捕獲或者不帶），函數，函數對象，以及函數指針。

// 使用lambda表達式作爲線程函數創建線程
int main(){
	int n1 = 500;
	int n2 = 600;
	thread t([&](int addNum){
		n1 += addNum;
		n2 += addNum;
	}, 500);
	
	t.join();
	std::cout << n1 << ' ' << n2 << std::endl;
	return 0;
}

線程的結束

啓動了一個線程後，當這個線程結束的時候，如何去回收線程所使用的資源呢？thread庫給我們兩種選擇：

1. 加入式：join()

• join()：會主動地等待線程的終止。在調用進程中join()，當新的線程終止時，join()會清理相關的資源，然後返回，調用線程再繼續向下執行。由於join()清理了線程的相關資源，thread對象與已銷燬的線程就沒有關係了，因此一個線程的對象每次你只能使用一次join()，當你調用的join()之後joinable()就將返回false了。

2. 分離式：detach()

• detach()：會從調用線程中分離出新的線程，之後不能再與新線程交互。就像是和女朋友分手，那之後你們就不會再有聯繫（交互）了，而她的之後消費的各種資源也就不需要你去埋單了（清理資源）。此時調用joinable()必然是返回false。分離的線程會在後臺運行，其所有權和控制權將會交給C++運行庫。同時，C++運行庫保證，當線程退出時，其相關資源的能夠正確的回收。

【注】：必須在thread對象銷燬之前做出選擇，這是因爲線程可能在你加入或分離線程之前，就已經結束了，之後如果再去分離它，線程可能會在thread對象銷燬之後繼續運行下去。

原子性操作庫(atomic)

多線程最主要的問題是共享數據帶來的問題(即線程安全)。如果共享數據都是隻讀的，那麼沒問題，因爲只讀操作不會影響到數據，更不會涉及對數據的修改，所以所有線程都會獲得同樣的數據。
但是，當一個或多個線程要修改共享數據時，就會產生很多潛在的麻煩~ 如：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

unsigned long sum = 0L;
void fun(size_t num){
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++;
}
int main(){
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

輸出sum：11940842，出現錯誤！！！因爲線程不安全！

C++98中傳統的解決方式：可以對共享修改的數據可以加鎖保護。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;

std::mutex m;
unsigned long sum = 0L;
void fun(size_t num){
	for (size_t i = 0; i < num; ++i){
		m.lock();		//加鎖
		sum++;
		m.unlock();		//解鎖
	}
}
int main(){
	cout << "Before joining,sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 10000000);
	thread t2(fun, 10000000);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

輸出sum：20000000

雖然加鎖可以解決，但是加鎖有一個缺陷就是：

• 只要一個線程在對sum++時，其他線程就會被阻塞，會影響程序運行的效率，而且鎖如果控制不好，還容易造成死鎖。因此C++11中引入了原子操作！

需要使用以上原子操作變量時，必須添加頭文件<atomic>

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;

atomic_long sum{ 0 };
void fun(size_t num){
	for (size_t i = 0; i < num; ++i)
		sum++; // 原子操作
}
int main(){
	cout << "Before joining, sum = " << sum << std::endl;
	thread t1(fun, 1000000);
	thread t2(fun, 1000000);
	t1.join();
	t2.join();

	cout << "After joining, sum = " << sum << std::endl;
	return 0;
}

輸出sum：20000000

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感謝您閱讀至此，C++11專題就全部講解完了，相信您已對C++11標準有了較爲全面的瞭解和認識，新特性的出現表示着語言藝術的迭代，感謝挖井人的不懈領航，希望互聯網行業可以生生不息，蓬勃發展~

【從零學C++11（上）】列表初始化、decltype關鍵字、委派構造等新特性
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【從零學C++11（中）】移動語義、右值引用、std::move()、完美轉發等新特性
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