第19课 lambda vs std::bind

一. std::bind

（一）std::bind实现的关键技术

【编程实验】探索bind原理，实现自己的bind函数

#include <iostream>
#include <tuple>

using namespace std;

//1. 占位符定义
template<size_t idx>
struct placeholder{}; 

template<size_t idx>
using ph = placeholder<idx>; 

constexpr ph<0> _0{}; //定义一个constexpr类型的占位符对象(_0)，并用大括号初始化。
constexpr ph<1> _1{}; //定义一个constexpr类型的占位符对象(_1)
constexpr ph<2> _2;   //定义一个constexpr类型的占位符对象(_2)
constexpr ph<3> _3;   //定义占位符对象(_3)

//2. 参数选择：do_select_param会根据是否为占位符来选择合适的实参。
//2.2 泛化版本：arg不是占位符
template<class Args, class Params>
struct do_select_param
{
    decltype(auto) operator()(Args& arg, Params&&) //arg不是占位符，说明arg本身就是一个真正的实参，直接返回。
    {
        return arg;  //由于arg是个引用，decltype(auto)结果也是arg的引用
    }
};

//2.3 特化：arg为占位符情况。
template<size_t idx, class Params>
struct do_select_param<placeholder<idx>, Params> //注意Params为bind返回的绑定对象被调用时，传入其中的参数包
{
    decltype(auto) operator()(placeholder<idx>, Params&& params) //这里的params是个tuple对象。
    {
        return std::get<idx>(std::forward<Params>(params));//根据占位符取出params参数包中的实参。
    }
};

//2.1 根据占位符选择合适的实参
template<class Args, class Params>
decltype(auto) select_param(Args& arg, Params&& params)
{
    //注意，其中的arg是bind绑定时传入的实参，可能是实参或占位符。而params是bind返回的可调用对象被执行时传入的实参。
    //如果绑定时是占位符，会do_select_param会分派到其特化的版本，否则分派到其泛化版本。
    return do_select_param<Args, Params>{}(arg, std::move(params)); //params是副本，统一用move而不用forwared!
}

//3. binder类及辅助函数
//3.3 绑定对象(obj)的调用: 其中args表示传入bind函数的参数，params表示传入obj可调用对象的参数。
template<size_t... idx, class Callable, class Args, class Params>
decltype(auto) bind_invoke(std::index_sequence<idx...>, Callable& obj, Args& args, Params&& params)
{

    //根据args是否是占位符来选择合适的实参，并传给可调用对象obj。
    //注意：为了提高效率，参数是以move的形式（右值）被传递给obj可调动对象的。
    return std::invoke(obj, select_param(std::get<idx>(args), std::move(params))...);//C++17， invoke(func, 参数1, 参数2, ...)
}

//3.2 binder类（核心类）
template<class Callable, class... Args>
class binder
{
    using Seq = std::index_sequence_for<Args...>;   //等价于std::make_index_sequence<sizeof...(Args)>
                                                    //会创建类似一个index_sequence<0,1,2...>的类
    //保存bind函数的所有实参（即可调用对象及其实参）
    using args_t = std::tuple<std::decay_t<Args>...>; //注意，decay_t去掉其引用、constvolatile等特性）
    using callable_t = std::decay_t<Callable>; //可调用对象的类型（注意，decay_t去掉其引用、cv等特性）

    callable_t mObj; //以副本的形式保存可调用对象
    args_t mArgs; //以副本的形式保存可调用对象的所有实参。（打包放在tuple中）
public:

    //注意，不管是可调用对象(callableObj)，还是它的实参(args)均会根据其左右值特性，被复制或移动到Binder类中，以副本的形式保存起来。
    explicit binder(Callable&& callableObj, Args&& ... args)
                 :mObj(std::forward<Callable>(callableObj)),mArgs(std::forward<Args>(args)...)
    {
    }

    //Binder仿函数的调用
    template<class... Params>
    decltype(auto) operator()(Params&& ... params) //可调用对象被调用，并传入参数。
    {
        //第1个参数：升序的整数序列。第4个参数将传入的params实参转化为tuple对象。
        //注意：std::forward_as_tuple被定义成tuple<_Types&&...>(_STD forward<_Types>(_Args)...);
        //      这说明params将以引用的形式被保存在tuple中！！！
        return bind_invoke(Seq{}, mObj, mArgs, std::forward_as_tuple(std::forward<Params>(params)...));
    }
};

//3.1 bind辅助函数
template <class Callable, class... Args>
decltype(auto) bind(Callable&& callableObj, Args&& ... args)
{
    return binder<Callable, Args...>(std::forward<Callable>(callableObj), std::forward<Args>(args)...);
}

//测试函数
int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}
//测试类
class Test
{
public:
    int x;
    int add(int x, int y) 
    {
        return x + y;
    }
};

int main()
{  
    // 自定义bind函数的测试
    auto f1 = bind(add, 1, 3); //add为函数名，会自动转为函数指针类型。
    cout << f1() << endl;  //4

    auto f2 = bind(add, _0, _1);
    cout << f2(2, 3) << endl; //5

    auto lam = [](int x, int y) {return x * y; };
    auto f3 = bind(lam, _0, 3);
    cout << f3(3) << endl;  //9

    int a = 10;
    Test t1;
    auto f4 = bind(&Test::add, &t1, _0, _1); //add函数的第1个参数是this指针，因此需要将&t1传进去。同时注意add是成员函数，
                                             //需要用&来创建指向成员的函数指针。
    cout << f4(a, 3) << endl; //13。 a和3都是以引用的形式传入“绑定对象”f4中。
    
    t1.x = 100;
    auto f5 = bind(&Test::x, t1);           //传入t1的副本
    auto f6 = bind(&Test::x, std::ref(t1)); //传入t1的引用
    
    t1.x = 200;

    cout << f5() << endl;  //100
    cout << f6() << endl;  //200

    return 0;
}

1. 保存可调用对象及其形参

　　（1）保存可调用对象的实例：bind时会将可调用对象(如func)作为binder类的一个成员变量(如mObj)保存起来。

　　（2）保存形参：由于形参是变参，不能直接将变参作为成员变量。这里可用tuple将变参打包并保存起来(如mArgs)。

　　2. 可调用对象的执行

　　（1）将tuple展开为变参：绑定可调用对象时，是将可调用对象的形参（可能含占位符）保存在tuple中。到了调用阶段，就必须反过来将tuple展开为可变参数。因为这个可变参数才是可调用对象的形参。这里借助一个整型序列来将tuple变为可变参数，在展开tuple的过程中还需要根据占位符来选择合适实参，即占位符要替换为调用实参。

　　（2）根据占位符来选择合适的实参（如select_param函数）

 

　　　　 ①tuple中可能含有占位符，如果发现某个元素类型为占位符，则从调用时生成的实参tuple(如params)中取出相应的元素，用来作为变参的一个参数。如上面的select_param(ph<0>，{4,5,6})，ph<0>是个占位符，表示该处的实参是其后的{4,5,6}这个tuple中的0位置元素，即4。（具体的实现见do_select_param特化版本）

　　　　②如果某个类型不为占位符时，则直接从绑定时生成的形参tuple(如mArgs)中出取参数，用来作为变参的一个参数。如select_param(1，{4,5,6})，由于第1个实参为1，不是占位符，因此直接将1这个实参取出，传入invoke函数（具体实现见do_select_param泛化版本）

（二）注意事项

　　1.bind函数的所有实参（含第1个实参）都是按值传递的，即它们均通过复制或移动的方式以副本的形式保存起来的。可以通过对实参实施std::ref的方式来达到按引用存储的效果。

　　2.bind的返回值(称之为“绑定对象”)的所有实参都是按引用传递的，因为这些参数被打包成std::forward_as_tuple，而这里存的都是引用。【见binder的operator()函数】

　　3. 对于事先绑定的参数需要传具体的变量或值进去。对于不事先绑定的参数，需要传递占位符（如_1）进去。

　　4. 绑定类的成员函数时，需要用&来创建成员函数指针再将其作为实参传给bind的第1个实参，同时在bind的第2个实参中为该成员函数指定this指针，然后再传入该成员函数的其它参数。

二. 优先使用lambda而非bind

（一）lambda表达式具有更强的可读性，表达力更好。

（二）bind函数绑定重载函数时会遇到二义性问题。由于函数名只是个名字，不带形参类型等其他附加信息，所以无法知道被绑定的是哪个重载版本的函数。

（三）lambda表达式可能生成比使用std::bind运行效率更高的代码。编译器可能对函数名做inline函数调用，而不太可能对函数指针做这种优化。如setAlarm函数在lambda中的调用，可以被内联。但是std::bind绑定的是setAlarm函数指针而不是函数体本身，所以无法被内联。

（四）lambda的传参方式（按值还是按引用）比bind函数更直观。Lambda表达式的传参方式只需看其声明就可知。但使用bind需要牢记其工作原理，即bind在绑定时是按值传递实参的，绑定对象在调用时是按引用传递实参的。

（五）自C++14以后，std::bind己经彻底失败用武之地，可以完全被lambda替代。

三、bind使用的两种场合（C++11中）

（一）移动捕获：C++11中的lambda没有提供移动捕获特性，但可以通过std::bind和lambda表达式来模拟移动捕获（见《第18课 捕获机制及陷阱》）。而C++14中提供了初始化捕获的语言特性，从而消除了如此模拟的必要。

（二）多态函数对象：因为绑定对象的函数调用运算符利用了完美转发，它就可以接受任何类型的实参。当想要绑定的对象具有一个函数运算符模板时，是有利用价值的。但在C++14中，使用带有auto类型形参的lambda可以轻而易举地达成同样的效果。

【编程实验】lambda与bind的pk

#include <iostream>
#include <functional>
#include <chrono>

using namespace std;
using namespace std::chrono;   //for steady_clock
using namespace std::literals; //for 1h, 30s等
using namespace placeholders;  //for _1、_2等。

using Time = std::chrono::steady_clock::time_point; //表示时刻的类型
using Duration = std::chrono::steady_clock::duration; //表示时长的类型
enum class Sound{Beep, Siren, Whistle}; //警报的声音类型(哔哔声、汽笛声、口哨声)
enum class Volume{Normal, Loud, LoudPlusPlus}; //音量大小

//警报函数（3个形参）
void setAlarm(Time t, Sound s, Duration d) //在t时刻，发出声音s，持续时长d
{
}

//警报函数（4个形参）
void setAlarm(Time t, Sound s, Duration d, Volume v)
{
}

class Widget{};
enum class CompLevel{Low, Normal, High}; //压缩等级
Widget compress(const Widget& w, CompLevel lev)  //制作w的压缩副本
{
    return Widget();
}

class PolyWidget
{
public:
    template<typename T>
    void operator()(const T& param){} //仿函数可接受任何类型的形参对象，被称为多态函数对象！
};

int main()
{
    //1. lambda比bind可读性更强（下列between函数用于判断实参是否介于极小值和极大值之间）
    const auto lowVal = 0;
    const auto highVal = 100;
    //1.1使用lambda
    auto betweenL = [lowVal, highVal](const auto& val)  //C++14
    {
        return lowVal <= val && val <= highVal; 
    };
    
    //1.2 使用bind
    auto betweenB = std::bind(std::logical_and<>(),
                              std::bind(std::less_equal<>(), lowVal, _1),
                              std::bind(std::less_equal<>(), _1, highVal));

    int x = 15, y = 150;
    cout << betweenL(x) << endl; //1
    cout << betweenB(x) << endl; //1
    cout << betweenL(y) << endl; //0
    cout << betweenB(y) << endl; //0

    //2. bind在延时求值、识别重载函数的使用方式繁琐。此外绑定函数时不会被内联到operator()中
    //2.1 lambda表达式(C++14)
    auto setSoundL = [](Sound s)  //setSoundL后面的L表达lambda表达式
    {
        setAlarm(steady_clock::now() + 1h, s, 30s); //C++14支持1h、30s的写法。调用3个形参的setAlarm，不会发生二义性！
                                                    //由于setAlarm是常规的函数调用，编译器会考虑将setAlarm内联到lambda中
    };
    setSoundL(Sound::Beep);

    //2.2 使用bind
    //2.2.1 错误的用法（警报启动时刻是在调用std::bind函数之后的1个小时）
    //auto setSoundB = std::bind(setAlarm,             //setSoundB中的"B"表示bind
    //                     steady_clock::now() + 1h,   //错误！该参数传给bind，而非setAlarm。意味着调用bind时时刻值己求出。但我们期望是setAlarm调用时对时刻求值。
    //                     _1, //将传给setSoundB的第1个参数传到setAlarm的第2个参数中。此处bind无法知道该实参真正的类型,需向setAlaram查询！
    //                       30s); 
    //2.2.2 正确的用法（警报启动时刻是在调用setAlarm函数之后的1个小时）
    using SetAlarm3ParamType = void(*)(Time t, Sound s, Duration d);
    auto setSoundB = std::bind(static_cast<SetAlarm3ParamType>(setAlarm),   //setAlarm是个函数名。没有形参信息，不知调用哪个重载版本的setAlarm,需强转！
                               std::bind(std::plus<>(), std::bind(steady_clock::now), 1h), //延时求值，注意这里传入的是now这个函数，而不是now()的返回值！
                               _1,
                               30s
                              );
    setSoundB(Sound::Beep);  //由于bind参数中的setAlarm是个函数指针，故setSoundB的operator()中无法将setAlarm函数体本身内联进来。

    //3. bind的传参方式不直观
    Widget w;
    //3.1 在bind调用时的传参比较
    auto compressRateB = std::bind(compress, w, _1); //bind时w被按值传递给绑定对象，是以副本形式被存储。（但这一点从bind的形参中看不出来，只有牢记其工
                                                     //作原理才能知道这个事实。

    auto compressRateL = [w](CompLevel lev) {return compress(w, lev); }; //使用lambda时非常直观，w和lev都是以按值方式被传递给lambda表达式。

    //3.2 在绑定对象被调用时传参的比较
    compressRateB(CompLevel::High); //bind返回的绑定对象调用时，实参都是通过按引用传递的（这点也是要牢记bind工作原理才会知道的事实）
    compressRateL(CompLevel::High); //参数是以按值方式传递的。

    //4. 多态函数对象
    PolyWidget pw;
    //4.1 C++11中，bind的用途。绑定多态仿函数对象
    auto pwB = std::bind(pw, _1);
    pwB(1930); //传入int
    pwB(nullptr); //传入nullptr
    pwB("SantaClaus"); //传入字符串字面量，pw.operator()中可以传入各种类型的对象。

    //4.2 C++14中，可利用带auto形参的lambda来达到类似的效果
    auto pwL = [&pw](const auto& param)
    {
        pw(param);
    };

    pwL(1930); //传入int
    pwL(nullptr); //传入nullptr
    pwL("SantaClaus"); //传入字符串字面量，pw.operator()中可以传入各种类型的对象。

    return 0;
}