c++泛型算法相关笔记

一. 泛型算法

1. 前言

泛型算法：可以支持多种类型的算法
此处主要来讨论怎么使用标准库中定义的泛型算法<algorithm>, numeric, ranges. 在引入泛型算法之前，还有一种是方法的形式，比如说std::sort 和std::list::sort，前者是算法，后者是list类中定义的函数（方法）

为什么引入泛型算法，而不用方法的形式？

c++内建数据类型不支持方法（如int，float等，vector可以）
计算逻辑存在相似性，避免重复定义

但如果有方法和泛型算法同名，功能类似时，建议使用方法，比如std::find和std::map::find，即只要类里面提供了这个方法就使用，因为一般这个类中的方法可以针对此类有更好的优化。

2. 泛型算法的分类

读：给定迭代空间，读其中的元素并进行计算。举例：std::accumulate, std::find, std::count
写：向一个迭代区间中写入元素，一定要保证写入的目标区间的大小足够（后续也会提到怎么给目标区间动态扩充）。举例：

单纯写：std::fill(直接给结果idx), std::fill_n(给的count数)
读+写：std::transform(一般可以对一个vector做某种运算后存入新vector), std::copy

排序：改变输入序列中元素的顺序。举例：std::sort,std::unique(去除相邻的重复元素，使用前需要对数组进行排序，且会把重复的元素放到数组的最后面，这个用于区分的索引是unique的返回值，可以之后erase掉)

3. 迭代器的种类*（catagory）

*了解即可，和迭代器的类型不同，比如int*可以作为一种类型。一般，根据不同的迭代器种类，会有不同的优化算法

输入迭代器：可读，可递增
输出迭代器：可写，可递增
前向迭代器：可读写，可递增
双向迭代器：可读写，可递增递减
随机访问迭代器：可读写，可递减一个整数

4. 特殊迭代器

插入迭代器：back_insert_iterator, front_insert_iterator, insert_iterator

流迭代器: istream_iterator, ostream_iterator

#include <iterator>
#include <sstream>int main()
{std::istringstream str("1 2 3 4 5");std::istream_iterator<int> x(str);std::istream_iterator<int> y{};  //流迭代器中，用此表示结束for(; x!=y; ++x){std::cout << *x << std::endl;  //可以依次打印出12345}
}


#include<vector>
#include <iterator>
#include <numeric>
#include <sstream>int main()
{std::vector<int> x{1,2,3,4,5};std::copy(x.rbegin(), x.rend(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, " "));//打印结果为”5 4 3 3 1 “
}

反向迭代器
移动迭代器：move_iterator

5.并发算法

std::execution::seq 顺序执行
std::execution::par 并发执行
std::execution::par_unseq 并发非顺序执行
std::execution::unseq

二. bind和lambda表达式

1. 可调用对象

类似于sort算法中，用来定义sort规则的那个部分

函数指针：概念直观但定义位置受限
类：功能强大但书写麻烦
bind：基于已有的逻辑灵活适配，但复杂逻辑时语法会难懂
lambda：小巧灵活，功能强大

2. bind

早期的bind1st和bind2nd

#include <functional>bool MyPredict(int val)
{return val >３；
}
int main()
{std::vector<int> x{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};std::vector<int> y;std::copy_if(x.begin(), x.end(), std::back_inserter(y), std::bind1st(std::greater<int>(), 3)); //打印出的为1，2std::copy_if(x.begin(), x.end(), std::back_inserter(y), std::bind2nd(std::greater<int>(), 3)); //打印出的为4，5，6，7，8，9，10for(auto p : y){std::cout << p << ' ';}std::cout << std::endl;
}

变为bind：
通过绑定的方式修改可调用对象的调用方式

MyPredict(int val1, int val2)
{return val1 > val2;
}bool MyAnd(bool val1, bool val2)
{return val1&& val2;
}int main()
{using namespace std::placeholders;auto x = std::bind(MyPredict2, _1, 3);  //按照上一块代码的内容打印出4-10的数字x(50);  //50是调用MyPredict2时出啊内的第1个参数，对应MyPredict函数中的val1，会判断50>3是否成立，返回trueauto y = std::bind(MyPredict2, 3, _1);  //3对应val1的数值，而_1就是调用时写的第一个参数，比如y(4),那么val2就是4，相当于判断3>4是否成立，此处返回false。即只有当数字小于3时，返回值才是trueauto z = std::bind(MyPredict2, _2, _1); std::cout << z(3,4);  //返回1，4对应val1，3对应val2auto x1 = std::bind(MyPredict2, _1, 3);auto x2 = std::bind(MyPredict2, 10, _1);auto x3  std::bind(MyAnd, x1, x2);std::cout << x3(5);  // 返回true，因为满足10>5 && 5>3

bind的使用风险

在调用std::bind（c++11引入）时，传入的参数会被赋值，这可能产生一些调用风险，可以使用std::ref或则和std::cref避免复制的行为。c++20之后，std::bind_front是std::bind的简化形式


#include <iostream>
#incldue <algorithm>
#include <vector>
#include <functional>
#include <memory>
void MyProc(int* ptr)
{}void MyProc(std::shared_ptr<int> ptr)
{}
auto fun()
{int x;return std::bind(MyProc, &x);  //风险1：返回了一个bind构造的可调用对象，但其内部包含了一个int型的指针，这个指针指向的一个局部的对象,有风险
}auto fun2()
{std::shared_ptr<int> x(new int());return std::bind(MyProc, x);  //OK, 因为堆上会分配一块内存，然后会把内存拷贝进去
}void Proc(int& x)
{++x;
}int main()
{//风险1auto ptr = fun();ptr(); //这个行为就是未定义的int x=0;auto b = std::bind(Proc, x);  //绑定b(); //实际执行std::cout << x << std::endl;//风险2int x = 0;Proc(x);  std::cout << x << std::endl;  //打印结果为1x=0;auto ptr = std::bindauto b = std::bind(Proc, x);  //绑定b(); //实际执行std::cout << x << std::endl;  //打印结果为0。 因为在调用bind的时候，x还是会复制一份再去处理，传递给Proc的是复制后的x'，被修改的是x'auto b = std::bind(Proc, std::ref(x));  //std::ref会生成一个对象，这个对象也会拷贝给bind，但是拷贝出的对象内部会包含一个引用来引用x，所以还是可以修改x的数值；std::cref()表示常量引用
}

bind_front用例：默认绑定到第一个元素
在这里插入图片描述

3. lambda表达式

为了更灵活的实现可调用对象而引入，从c++11开始在持续更新中
lambda表达式等效为一个类的对象6，主要内容包括以下几个点：

参数和函数体
返回类型
捕获：针对函数体中使用的局部自动对象进行捕获
说明符：mutable, constexpr, consteval
模板形参

//一般可以用auto自动推导出返回类型
auto x = [](int val)
{return (val > 3.0) && val < 15.0);
};  //不要忘记这里的分号//这里return的一个是float，一个是double，所以必须要指定返回类型
auto x = [](int val) ->float
{if (val > 3){return 3.0;}else{return 1.5f;}
};  //不要忘记这里的分号//捕获, 这样才可以把局部自动y传递到lambda表达式里面
//如果是静态变量or全局变量就不需要捕获可以直接使用
int y = 10;   
auto x = [y](int val) 
{return val >y;
};  //不要忘记这里的分号//捕获, 这样才可以把局部自动y传递到lambda表达式里面
int y = 10;   
auto x = [y](int val) mutable
{++y; //这里用了mutable，只有值捕获，y在lambda表达式内的操作不会影响到外部return val >y;
};  //不要忘记这里的分号
std::cout << y << std::endl; //输出的y的值是10.//捕获, 这样才可以把局部自动y传递到lambda表达式里面
int y = 10;   
auto x = [&y](int val) 
{++y; //这里用了引用捕获，y在lambda表达式内的操作会影响到外部return val >y;
};  //不要忘记这里的分号
std::cout << y << std::endl; //输出的y的值是11.//捕获, 这样才可以把局部自动y传递到lambda表达式里面
int y = 10;   
int z = 3;
//中括号里面是捕获列表，可以混合捕获
//如果说用到了很多局部对象，也可以不用每个都写进中括号里，可写作[=]，自动进行值捕获
//[&] 自动的进行局部对象的引用捕获
//[&, z] 表示使用到的局部对象多是采用引用捕获，z采用值捕获
auto x = [&y, z](int val) 
{++y; return val >z;
};  //不要忘记这里的分号
std::cout << y << std::endl; //输出的y的值是11.

当去使用不是局部变量的值时，需要使用this进行捕获

struct Str
{auto fun(){int val = 3;//由于这里的x并不是一个局部的变量，所以要用this，指向Str的一个对象的指针，才能在lambda表达式里使用x//注意！！ this是一个指针，使用过程中可能会有风险，c++17里，使用*this,//*this就会把Str内的所有内容复制到lambda内部，在调用lambda时更加安全，不会访问已经释放的内存//但是如果Str比较复杂，复制的时候就会比较耗时间auto lam = [val, this] (){return val >x;	};return lam();}int x;
};//写法一：ok
int main()
{Str s;s.fun();
}//写法二：有风险
auto wrapper()
{Str s;return s.fun();
}int main()
{如果此时lambda用this，此时wrapper返回的是一个lambda表达式//this实际是指向wrapper里Str的对象s的一个指针，wrapper调用结束后，s就会被销毁     auto lam = wrapper();                      lam(); //指向一个被悬挂的指针，这么调用的行为是未定义的
}

c++14引入了一种新捕获：初始化捕获

std::string a= "hello";
auto lam = [y = std::move(a)]()
{std::cout << y << std::endl;
};

c++17引入了一种新捕获：初始化捕获

std::string a= "hello";
auto lam = [y = std::move(a)]()
{std::cout << y << std::endl;
};

接下来来理解说明符：

直接在中括号内用y的话，等效于加了const，如果此时在lambda内改变y的数值是会导致编译报错的
在auto lam这一行后面加上mutable即可解决
在这里插入图片描述
这里使用constexpr(可在运行期or编译器调用)或者consteval（只能在编译期调用），return的值为101
不加的话默认运行期执行。加了的话编译器可以有优化

模板形参c++20
任何类型都可以，只要可以支持+1的操作
在这里插入图片描述

几种更深入的用法

//c++14捕获时计算，可以一定程度提高效率
int x = 3;
int y = 5;
auto lam = [z = x+y]()
{return z;
};//构造完lambda表达式后马上执行  Immediately-invoked function expression
int x = 3;
int y = 5;
auto lam = [z = x+y]()
{return z;
}();
//比如，这样就可以直接初始化val
const auto val = [z = x+y]()
{return z;
}();std::cout<< val << std::endl;//使用auto避免复制
std::map<int,int> m{{2,3}};
//希望通过这种传引用的方式避免数值，但是实际还是会用到
//改成const std::pair<const int, int>& p才可以不复制， 
//c++14时可以直接用auto，改成const auto& p，就可以避免复制
auto lam = [](const std::pair<int, int>& p)
{return p.first + p.second;
};
std::cout << lam(*m.begin()) << std::endl;//lifting 用auto实现函数模板
//如果用bind，编译器就不能知道到底要用什么类型
auto fun(int val)
{return val + 1;
}auto fun(double val)
{return val + 1;
}int main()
{auto lam = [](auto x){return fun(x);};cout << lam(3) << endl;cout << lam(3.2) << endl;
}//用lambda表达式实现递归
//报错写法 写阶乘
auto factorial = [](int n){//这一行会报错. 因为要先把lambda表达式走完，编译器才知道这是lambda表达式//此时碰到了factorial(n-1)，其实不知道这个实际是什么return n>1? n*factorial(n-1) : 1;  
};cout << factorial(5) << endl;int factorial(int n)  //编译器走完这一行就知道这个是一个函数，所以此递归函数不会报错
{return n>1 ? n * factorial(n-1) : 1;
}//如果这么写不会报错。这里用了auto-->模板参数
auto factorial = [](int n)
{//这里一定要写返回的类型是int，否则内部的return都不知道要返回什么类型f_impl和impl的返回类型成了鸡生蛋问题auto f_impl = [](int n, const auto& impl) -> int {return n>1 ? n * impl(n-1, impl) : 1;  //注意这里的impl是一个函数！};// 内部的lambda表达式声明完毕return f_impl(n, f_impl);  //把f_impl当作了参数！};cout << factorial(5) <<endl;

三. 泛型算法的改进——ranges

可以使用容器而非迭代器

std::vector<int> x{1，2，3，4，5}；
auto it = std::ranges::find(x,3);
//auto it = std::ranges::find(x.begin(), x.end(),3);  //就不用这么写了
std::cout << *it <<std::endl; //output:3//有问题的写法 dangling悬挂：指向了失效的指针
auto fun()
{return std::vector<int> x{1,2,3,4,5};  //返回的是一个局部对象，右值，之后会被销毁
}int main()
{std::vector<int> x{1,2,3,4,5};auto it = std::ranges::find(fun(), 3);  //使用ranges的时候注意不要传入右值std::cout << *it <<std::endl;  //这种解引用可能是未定义的行为
}