modern C++：闭包与匿名函数

最近放假在写一个小项目，用到了闭包和匿名函数的知识，记录一下

What？

匿名函数：匿名函数（英语：Anonymous Function）在计算机编程中是指一类无需定义标识符（函数名）的函数或子程序，普遍存在于多种编程语言中。C++从C++11开始支持。
闭包：闭包（英语：Closure），又称词法闭包（Lexical Closure）或函数闭包（function closures），是在支持函数编程的编程语言中实现词法绑定的一种技术。闭包在实现上是一个结构体，它存储了一个函数（通常是其入口地址）和一个关联的环境（相当于一个符号查找表）

匿名函数只是一个没有名字的函数，闭包是一个函数指针+配套环境，闭包是一个函数的实例。
当匿名函数内也有外界定义的变量时就变成了闭包，当闭包没有外界变量时可以优化成一个普通函数(不一定是匿名函数)

why？

闭包的存在是为了保护私有变量不被污染,形成不销毁的栈内存，里面的私有变量等信息保存下来。
匿名函数常用于回调函数、事件处理器、或者在需要临时定义函数的地方。它们有助于减少代码的复杂性，使代码更加简洁。

how？

匿名函数是一种技术，只有lambda表达式一种实现。
闭包是一种思想，可以用不同方式来实现

方法一：重载()操作符

C++允许进行操作符重载，可以将一个类的()操作符重载，就可以使这个类的实例可以调用，Eg：

#include 

class Operator {
    public:
        int operator ()(int a, int b) {
            return a+b+bias;
        }
    private:
        int bias = 1;
};

int main() {
    Operator op;
    std::cout << op(1, 2) << std::endl;

    return 0;
}

好奇，能不能将这个重载声明为static，试了一下发现报错说运算符不能是静态成员函数。

方法二：lambda表达式

C++11中引入了lambda表达式，lambda是函数式编程中的概念，用于定义匿名函数，Eg：

#include 
#include 

int main() {
    int bias = 1;
    std::function<int(int)> f = [bias](int x) { return x + bias; };
    // lambda函数，bias是捕获的变量，x是参数，
    // 如果不捕获变量，可以写成[=]，如果捕获所有变量，可以写成[&]
    // 不捕获变量时，就是一个普通的函数，捕获后就变成了闭包
    std::cout << f(1) << std::endl;
    return 0;
}

方法三：参数绑定

C++11在标准库中新增了bind函数，std::bind是C++中实现函数参数绑定的一种方式，它允许你创建一个可调用的函数对象，该对象可以存储一部分参数，并在需要时再提供剩余的参数。这在某些情况下非常有用，比如在多线程编程中，你可能需要将参数和函数传递给不同的线程。

C++11之前boost中有参数绑定函数bind，可以调用boost::bind函数

使用bind定义闭包如下：

#include 
#include 

int add(int a, int b) {
    std::cout << "a: " << a << " b: " << b << std::endl;
    return a + b;
}

int main()
{
    auto f = std::bind(add, std::placeholders::_2, std::placeholders::_1);
    // placeholders可以理解为占位符，_1表示第一个参数，_2表示第二个参数，以此类推
    // 上面的代码表示将add函数的第二个参数作为f的第一个参数，第一个参数作为f的第二个参数
    // 所以调用f(1,2)时，实际上调用的是add(2,1)
    std::cout << f(1,2) << std::endl;

    auto f2 = std::bind(add, 1, std::placeholders::_1);
    // 上面的代码表示将add函数的第一个参数固定为1，第一个参数作为f2的第二个参数
    std::cout << f2(2) << std::endl;

    auto f3 = std::bind(add, std::placeholders::_1, 2);
    // 上面的代码表示将add函数的第二个参数固定为2，第一个参数作为f3的第一个参数
    std::cout << f3(1) << std::endl;

    auto f4 = std::bind(add, 1, std::placeholders::_2);
    // 上面的代码表示将add函数的第一个参数固定为1，第二个参数作为f4的第二个参数
    // 所以调用时必须给两个参数
    std::cout << f4(1,2) << std::endl;
    return 0;
}

使用时要注意C++不会因为闭包而延长变量的生命周期，在lambda中引用一个已经释放了的变量是一种未定义行为，文档原话：
If a non-reference entity is captured by reference, implicitly or explicitly, and operator() of the closure object is invoked after the entity’s lifetime has ended, undefined behavior occurs. The C++ closures do not extend the lifetimes of objects captured by reference.

others

• C语言
  C语言中没有语法可以支持闭包，但是C语言支持回调函数，可以通过回调函数来达到类似于闭包的效果。
  在C语言中，支持回调函数的库有时在注册时需要两个参数：一个函数指针，一个独立的void*指针用以保存用户数据。这样的做法允许回调函数恢复其调用时的状态。这样的惯用法在功能上类似于闭包，但语法上有所不同。
• Python
  Python从一开始就支持闭包，在Python中经常用闭包来实现装饰器

import functools
import time

def logger(func):
    """装饰器函数，用于记录函数的调用信息"""
    @functools.wraps(func)  # 保持原始函数的名称和文档字符串
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"Calling {func.__name__} at {time.ctime()}")
        result = func(*args, **kwargs)
        print(f"{func.__name__} returned {result}")
        return result
    return wrapper

# 使用装饰器
@logger
def add(a, b):
    """Add two numbers."""
    return a + b

# 调用被装饰的函数
result = add(3, 4)