简述泛型算法之_二lambda表达式

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#泛型 #lambda #算法 #STL

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本文介绍C++中的Lambda表达式，包括其基本语法、变量捕获机制及应用场景。并通过实例展示如何利用Lambda表达式简化代码并提高程序效率。

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简述泛型算法之二lambda表达式

背景：
我们传递的算法必须严格接受一个或两个参数，但是有时我们希望进行的操作需要更多的参数，超出了算法对谓词(predicate)的限制。
在上篇博客简述泛型算法之一认识算法末尾提到，要分割的长度大于n，普通方法无能为力。这个时候，就需要lambda表达式”登场了”。

lambda表达式

我们可以为任何一个算法传递任何类别的可调用对象。
可调用对象：对于一个对象或者表达式，如果能够对其使用调用运算符，则称它为可调用的；如果e可调哟个，则可以写代码e(args) arges为参数列表
之前学过的可调用对象：函数，函数指针；

lambda表达式：表示一个可调用的代码单元。可以理解为一个未命名的内敛函数，与任何函数类似，一个lambda具有返回类型，参数列表，函数体。
但与函数不同的是，lambda可以定义在函数内部。一个lambda表达式具有如下形式：
[capture list](parameter list) -> return type {funtion body}
capture list(捕获列表)是一个lambda对象所在函数中定义的局部变量的列表；
return type， parameter list， function body 与普通函数一样
但与普通函数不同的是，lambda必须使用尾置返回(->)来指定类型
我们可以忽略函数参数列表，但是必须永远包含捕获列表和函数体。

lambda基本用法

//定义一个可调用对象f，不接受参数；
auto f1 = [] { return 34; };
//调用方式与普通函数一样，使用函数调用运算符
cout << f1() << endl;

//传递参数：与普通函数不同，lambda不能有默认实参
//编写一个与isShorter功能完全一样的lambda
auto f2 = [](const string& a, const string& b) { return a.size() < b.size(); };

vector<string> vss{"the", "quick", "red", "fox", "jumps", "over", "the","slow", "red", "turtle"};
//使用lambda调用stable_sort
stable_sort(vss.begin(), vss.end(), f2);
stable_sort(vss.begin(), vss.end(),
        [](const string& a, const string& b) {
            return a.size() < b.size();
        });

lambda捕获变量

虽然lambda可以定义在函数内，使用其局部变量，但是它只能使用那些明确指明的变量。
lambda通过将局部变量包含在其捕获列表[]中来指出将会使用这些变量

//值捕获
{
    size_t sz = 43;
    //值捕获即值的拷贝，且值拷贝发生在lambda定义时，而非调用时，所以sz不会被改变，且lambda内部不能改变值捕获的变量
    auto f = [sz] {return sz;};
    sz = 0;
    cout << f() << endl;    //43  因为是拷贝

    //lambda内部默认不能改变值捕获的变量，改变的方法:加上mutable (有没有觉得很熟？哪里见过？见后文)
    sz = 43;
    auto g = [sz]()mutable { return ++sz; };
    cout << g() << endl;
}

//引用捕获
//引用捕获相当于定义了一个引用，因此必须遵循引用相关的规则：即必须引用到一个已经存在的变量
{
    size_t sz = 43;
    //引用捕获可以改变捕获的变量，而且内部也可以改变；
    //引用捕获有时是必要的，因为有些类型无法拷贝:iostream, unique_ptr
    auto f = [&sz] { return ++sz; };
    sz = 0;
    cout << f() << endl;    //0  因为是引用
}
//显示捕获，隐式捕获
{
    size_t sz = 0;
    //= 标识隐式值捕获
    auto f = [=] { return sz; };

    //& 标识隐式引用捕获
    auto g = [&] { return sz; };

    cout << f() << g() << endl;
}

隐式，显式，值，引用捕获混合使用
当我们混合使用隐式和显式捕获时，捕获列表中第一个元素必须是& 或者＝，此符号指定了默认捕获方式
而且，显式捕获的变量和隐式捕获的变量必须采用不同的方式（值和引用）
即不能出现此种情况 [&, &c] or [=, =c];
只能出现此种情况： [&, =c] or [=, &c];

{
    int c = 0;
    //cout：隐式引用捕获； c：显式值捕获
    auto f = [&, c] { cout << c << endl; };

    //c:隐式值捕获 cout:显式引用捕获
    ostream& os(cout);
    auto g = [=, &os] { os << c << endl; };
}

综上所述：尽可能保持lambda的变量捕获简单化，尽量减少捕获的数据量；如果可能，尽量避免捕获引用或指针

指定lambda返回值
ex：算法对输入序列中每个元素调用可调用对象，并将结果写回目的位置。

transform(v.begin(), v.end(), v.begin(),
          [](int i) {
              return i < 0 ? -i : i;
          });

但如果写成这样，会产生编译错误

transform(v.begin(), v.end(), v.begin(),
          [](int i) {
              if (i < 0) {
                  return -i;
              } else {
                  return i;
              }
          });

(C++11会产生错误，但C++14不会；笔者的xcode支持C++14，所以这样写也不报错)
改成如下形式，指定返回值则不产生错误

transform(v.begin(), v.end(), v.begin(),
          [](int i) -> int {
              if (i < 0) {
                  return -i;
              } else {
                  return i;
              }
          });

小例子：求大于等于一个给定长度的单词有多少，使程序只打印大于等于给定长度的单词

//消除重复单词
void elimDups(vector<string> &words) {
    sort(words.begin(), words.end());
    auto end_unique = unique(words.begin(), words.end());
    words.erase(end_unique, words.end());
}

//只打印大于等于给定长度(sz)的单词
void biggies(vector<string>& words, vector<string>::size_type sz) {
    elimDups(words);
    stable_sort(words.begin(), words.end(),
                [](const string &a, const string &b) {
                    return a.size() < b.size();
                });    //lambda表达式代替上篇博客的函数指针
    auto wc = find_if(words.begin(), words.end(),
                      [sz](const string& a) {
                          return a.size() >= sz;
                      });    //lambda表达式
    auto count = words.end() - wc;
    cout << count << " ";
    for_each(wc, words.end(),
             [](const string &a) {
                 cout << a << " ";
             });
    cout << endl;
}

上述代码仅仅用于应用lambda测试，也有更简单的办法

void biggies_2(vector<string>& words, vector<string>::size_type sz) {
    vector<string>::size_type count = 0;
    for (auto iter = words.begin(); iter != words.end(); ++iter) {
        if (iter->size() >= sz) {
            ++count;
            cout << *iter << " ";
        }
    }
    cout << count << endl;
}

笔者的代码没有修改原vector，而书中代码修改了vector，所以视情况而选择方法。（此处仅仅是学习lambda）

lambda实现原理

当编写一个lambda时，编译器生成一个与lambda对应的未命名的类的未命名对象。在lambda产生的类中，含有一个重载的函数调用运算符。

ex1：没有捕获变量

stable_sort(vss.begin(), vss.end(),
            [](const string& a, const string& b) {
                return a.size() < b.size();
            });

其行为类似于下面这个类的未命名对象

class ShorterString {
public:
    bool operator()(const string& s1, const string& s2) const {
        return s1.size() < s2.size();
    }
};

产生的类只有一个函数调用运算符成员。为何默认情况下不能修改它捕获的变量？因为该函数默认是const。
此时，通过该类替代lambda后，可以重写函数如下：
stable_sort(vss.begin(), vss.end(), ShorterString());
注意: ShorterString()为类构造的临时对象；

ex2:捕获变量
当通过引用捕获时，将由程序负责确保引用所引的对象确实存在。因此编译器可以直接使用该引用而无需在类中存储数据成员。
相反，当通过引用捕获时，lambda产生的类必须为每个值捕获的变量建立对应的数据成员，同时创建构造函数，令其捕获的变量初始化数据成员。

auto wc = find_if(v.begin(), v.end(), 
                [sz](const string &a) {
                    return a.size() >= sz;
                });

该lambda表达式产生类形如：

class SizeTmp {
public:
    SizeTmp(size_t n):sz(n) {}
    bool operator()(const string& s) const {
        return s.size() >= sz;
    }
private:
    size_t sz;
};

到这里，就差最后一个困惑了？
值捕获不能修改捕获的变量，如果要修改则必须加上mutable？why？
当我问完问题，答案也出来了。因为有一种成员变量即使是const成员函数，也能修改。在定义的时添加mutable。