【从零学C++11（下）】lambda表达式、线程库、原子操作库等新特性

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10. lambda表达式【★】

例如在C++98中，如果想要对一个数据集合中的元素进行排序，可以使用std::sort方法，具体如下：

#include <algorithm>
#include <functional>
int main(){
	int array[] = {4,1,8,5,3,7,0,9,2,6};
	
	// 默认按照小于比较，排出来结果是升序
	std::sort(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
	for (auto& e : array) {
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	
	// 如果需要降序，需要改变元素的比较规则
	std::sort(array, array + sizeof(array)/sizeof(array[0]),greater<int>());
	for (auto& e : array) {
		cout << e << " ";
	}
	
	return 0;
}

输出结果：

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

如果待排序元素为自定义类型，需要用户定义排序时的比较规则：

struct Goods{
	string _name;
	double _price;
};

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

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

输出结果：

随着C++语法的发展，人们开始觉得上面的写法太复杂了，每次为了实现一个algorithm算法， 都要重新去写一个类 / 仿函数，如果每次比较的逻辑不一样，还要去实现多个类，特别是相同类的命名，这些都给编程者带来了极大的不便。因此，在C++11语法中出现了Lambda表达式：

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

上述代码就是使用C++11中的lambda表达式来解决，可以看出lambda表达式实际是一个匿名函数。

语法

格式：

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

1. [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。
2. (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。
3. 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)。
4. ->return-type：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。
5. {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。

注意： 在lambda函数定义中，参数列表和返回值类型都是可选部分，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。

int main(){
	// 最简单的lambda表达式, 该lambda表达式没有任何意义
	[]{};
	
	// 省略参数列表和返回值类型，返回值类型由编译器推导为int
	int a = 3, b = 4;
	[=]{return a + 3; };
	
	// 省略了返回值类型，无返回值类型
	auto fun1 = [&](int c){b = a + c; };		//匿名函数在此体现
	fun1(10);
	cout << a << " " << b << endl;
	
	// 各部分都很完善的lambda函数
	auto fun2 = [=, &b](int c)->int{ return b += a + c; };
	cout << fun2(10) << endl;
	
	// 复制捕捉x
	int x = 10;
	auto add_x = [x](int a) mutable { x *= 2; return a + x; };
	cout << add_x(10) << endl;
	return 0;
}

输出结果：

3 13
26
30

通过上述代码可以看出，lambda表达式实际上可以理解为无名函数，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。

捕获列表

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。

• [var]：表示值传递方式捕捉变量var
• [=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)
• [&var]：表示引用传递捕捉变量var
• [&]：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】：

1. 父作用域指包含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]：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
3. 捕捉列表不允许变量重复传递，否则就会导致编译错误。
   比如：[=, a]：=已经以值传递方式捕捉了所有变量，捕捉a重复
4. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。
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。

void (*PF)();

int main(){
	auto f1 = []{cout << "hello world" << endl; };
	auto f2 = []{cout << "hello world" << endl; };
	
	f1 = f2; 	// 编译失败--->提示找不到operator=()
	
	// 允许使用一个lambda表达式拷贝构造一个新的副本
	auto f3(f2);
	f3();
	
	// 可以将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针
	PF = f2;
	PF();
	return 0;
}

函数对象与lambda表达式对比

• 函数对象，又称为仿函数，即可以像函数一样使用的对象，是在类中重载了operator()运算符的类对象。

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

int main(){
	// 函数对象
	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;
}

从使用方式上来看，函数对象与lambda表达式完全一样。

函数对象将rate作为其成员变量，在定义对象时给出初始值即可，lambda表达式通过捕获列表可以直接将该变量捕获到。

• 实际在底层编译器对于lambda表达式的处理方式完全就是按照函数对象的方式处理的：
  如果定义了一个lambda表达式，编译器会自动生成一个类，在该类中重载了operator()。

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11. 线程库【★】

C++11中很重要的特性之一就是对线程进行支持了，使得C++在并行编程时不需要依赖第三方库，而且在原子操作中还引入了原子类的概念。要使用标准库中的线程，必须包含< thread >头文件，该头文件声明了std::thread 线程类。

官方文档：【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;
}

线程的启动

C++线程库通过构造一个线程对象来启动一个线程，该线程对象中就包含了线程运行时的上下文环境，比如：线程函数、线程栈、线程起始状态等以及线程ID等，所有操作全部封装在一起，最后在底层统一传递给_beginthreadex()创建线程函数来实现

【注】：_beginthreadex是windows中创建线程的底层c函数)。

std::thread()创建一个新的线程可以接受任意的可调用对象类型（带参数或者不带参数），包括lambda表达式（带变量捕获或者不带），函数，函数对象，以及函数指针。

// 使用lambda表达式作为线程函数创建线程
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;
}

线程的结束

启动了一个线程后，当这个线程结束的时候，如何去回收线程所使用的资源呢？thread库给我们两种选择：

1. 加入式：join()

• join()：会主动地等待线程的终止。在调用进程中join()，当新的线程终止时，join()会清理相关的资源，然后返回，调用线程再继续向下执行。由于join()清理了线程的相关资源，thread对象与已销毁的线程就没有关系了，因此一个线程的对象每次你只能使用一次join()，当你调用的join()之后joinable()就将返回false了。

2. 分离式：detach()

• detach()：会从调用线程中分离出新的线程，之后不能再与新线程交互。就像是和女朋友分手，那之后你们就不会再有联系（交互）了，而她的之后消费的各种资源也就不需要你去埋单了（清理资源）。此时调用joinable()必然是返回false。分离的线程会在后台运行，其所有权和控制权将会交给C++运行库。同时，C++运行库保证，当线程退出时，其相关资源的能够正确的回收。

【注】：必须在thread对象销毁之前做出选择，这是因为线程可能在你加入或分离线程之前，就已经结束了，之后如果再去分离它，线程可能会在thread对象销毁之后继续运行下去。

原子性操作库(atomic)

多线程最主要的问题是共享数据带来的问题(即线程安全)。如果共享数据都是只读的，那么没问题，因为只读操作不会影响到数据，更不会涉及对数据的修改，所以所有线程都会获得同样的数据。
但是，当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多潜在的麻烦~ 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;
}

输出sum：11940842，出现错误！！！因为线程不安全！

C++98中传统的解决方式：可以对共享修改的数据可以加锁保护。

#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();		//加锁
		sum++;
		m.unlock();		//解锁
	}
}
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;
}

输出sum：20000000

虽然加锁可以解决，但是加锁有一个缺陷就是：

• 只要一个线程在对sum++时，其他线程就会被阻塞，会影响程序运行的效率，而且锁如果控制不好，还容易造成死锁。因此C++11中引入了原子操作！

需要使用以上原子操作变量时，必须添加头文件<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;
}

输出sum：20000000

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感谢您阅读至此，C++11专题就全部讲解完了，相信您已对C++11标准有了较为全面的了解和认识，新特性的出现表示着语言艺术的迭代，感谢挖井人的不懈领航，希望互联网行业可以生生不息，蓬勃发展~

【从零学C++11（上）】列表初始化、decltype关键字、委派构造等新特性
【https://blog.csdn.net/qq_42351880/article/details/100140163】

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