C++ Lambda表达式用法和原理

Lambda表达式用法

lambda表达式是C++11中引入的一项新技术,利用lambda表达式可以编写匿名函数,这样省去了我们手动声明和定义函数的时间,但是有人说,Lambda表达式增加了代码的可读性,这个真不敢恭维,我觉得Lambda破坏了函数原本的思想,而且语法很乱,反而降低了代码的可读性,本人在编程中,不使用Lambda表达式。

Lambda 表达式完整的格式如下:

[捕获列表] (形参列表) mutable 异常列表-> 返回类型
{
    函数体
}

捕获列表:捕获外部变量,捕获的变量可以在函数体中使用(可省略,即不捕获外部变量)

  • []:默认不捕获任何变量;
  • [=]:默认以值捕获所有变量;
  • [&]:默认以引用捕获所有变量;
  • [x]:仅以值捕获x,其它变量不捕获;
  • [&x]:仅以引用捕获x,其它变量不捕获;
  • [=, &x]:默认以值捕获所有变量,但是x是例外,通过引用捕获;
  • [&, x]:默认以引用捕获所有变量,但是x是例外,通过值捕获;
  • [this]:通过引用捕获当前对象(其实是复制指针);
  • [*this]:通过传值方式捕获当前对象;

形参列表:和普通函数的形参列表一样(可省略,即无参数列表)
mutable:mutable 关键字,如果有,则表示在函数体中可以修改捕获变量
异常列表:noexcept / throw(…),和普通函数的异常列表一样,可省略,即代表可能抛出任何类型的异常。
返回类型:和函数的返回类型一样。可省略,如省略,编译器将自动推导返回类型。
函数体:代码实现。可省略,但是没意义。

lambda表达式因为禁用了赋值操作符,所以不可以直接赋值,即使他们形参和返回值完全一样,但是lambda表达式没有禁用复制构造函数,所以你仍然可以用一个lambda表达式去初始化另外一个lambda表达式而产生副本,并且lambda表达式也可以赋值给相对应的函数指针,这也使得你完全可以把lambda表达式看成对应函数类型的指针。

另外,lambda表达式不能有默认参数,不支持可变参数。

示例:

#include <iostream>

int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	auto lambda = [a, b](int x, int y)mutable throw() -> bool
	{
		return a + b > x + y;
	};
	bool ret = lambda(3, 4);

	std::cout << ret << std::endl;
}

//output:0

Lambda表达式实现原理

Lambda表达式的实现步骤:

  • 创建lambda匿名类,实现构造函数,使用lambda表达式的函数体重载operator(),因此,lambda表达式也叫作匿名函数对象,
  • 创建lambda匿名类对象
  • 通过对象调用operator()
    上述代码,经过编译器翻译后,变成了如下代码:
#include <iostream>

class lambda_xxxx {
private:
	int a;
	int b;

public:
	lambda_xxxx(int pa, int pb) {
		a = pa;
		b = pb;
	}
	bool operator()(int x, int y)throw() {
		return a + b > x + y;
	}
};
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	
	lambda_xxxx obj = lambda_xxxx(a, b);
	bool ret = obj.operator()(3, 4);

	std::cout << ret << std::endl;
}

其中:

  • lambda 表达式中的捕获列表,对应 lambda_xxxx 类的 private 成员
  • lambda 表达式中的形参列表,对应 lambda_xxxx 类的成员函数 operator()的形参列表
  • lambda 表达式中的mutable,对应 lambda_xxxx 类的成员函数 operator()的是否具有常属性,即函数后 带不带 const
  • lambda 表达式中的返回类型,对应 lambda_xxxx 类的成员函数 operator()的返回类型
  • lambda 表达式中的函数体,对应 lambda_xxxx 类的成员函数 operator()的函数体

此外,lambda表达式捕获列表的捕获方式,也影响pravite成员的类型

  • 值捕获:private 成员的类型与捕获变量的类型一致
  • 引用捕获:private 成员 的类型是捕获变量的引用类型

特殊情况,lambda表达式转换为函数指针

看如下代码

#include <iostream>

typedef int(*Func)(int);

int Test(Func func)
{
	return func(1);
}

int main()
{
	auto ret = Test([](int i) {
		return i;
	});

	std::cout << ret << std::endl;
}
//output:1

Test函数接受一个函数指针作为参数,并调用这个函数指针。实际调用Test时,传入的参数却是一个lambda表达式,所以这里有一个类型的转换:lambda表达式 -> 函数指针。

上面已经提到,lambda表达式就是一个匿名对象,与函数指针按理说不应该存在转换,但是上述代码却没有问题。

其问题的关键在于,上述代码中,lambda表达式没有捕获任何外部变量,即匿名类没有任何成员变量,在operator()中也就不会用到任何成员变量,也就是说,operator()虽然是成员函数,但是不依赖this指针。

因为不依赖this,所以可以将这个operator()看做是普通的函数,那普通函数与函数指针就存在转换的可能。

编译器解析的过程如下:

  • 在lambda_xxxx 类中生成一个静态函数,静态函数的函数签名和operator()一致。在这个静态函数中,通过一个空指针去调用该类的operator()

  • 在lambda_xxxx 重载与函数指针的类型转换操作符,在这个函数中,返回静态函数的地址。

#include <iostream>

typedef int(*Func)(int);

class lambda_xxxx {
private:
public:
	int operator()(int i) {
		return i;
	}

	static int lambda_invoker(int i) {
		lambda_xxxx* ptr = nullptr;
		return ptr->operator()(i);
	}

	operator Func()const {
		return &lambda_invoker;
	}
};
int Test(Func func)
{
	return func(1);
}

int main()
{
	auto lambda = lambda_xxxx();
	Func func = lambda.operator Func();

	auto ret = Test(func);
	std::cout << ret << std::endl;
}
C++11引入了Lambda表达式,它是一种匿名函数,可以在需要的地方定义并使用。Lambda表达式可以以捕获列表、参数列表函数体构成。 下面是Lambda表达式的基本语法: ``` [capture list] (parameter list) -> return type { function body } ``` 其中,捕获列表是可选的,参数列表函数体也是可选的。返回类型可以省略,编译器会自动推断。 Lambda表达式中的捕获列表可以用来捕获外部变量,例如: ``` int x = 10; auto func = [x] () { std::cout << "x = " << x << std::endl; }; ``` 这里,我们使用捕获列表 `[x]` 来捕获变量 `x`。Lambda表达式定义了一个函数对象 `func`,它可以访问变量 `x` 的Lambda表达式中的参数列表普通函数的参数列表一样,例如: ``` auto func = [] (int x, int y) { return x + y; }; ``` 这里,我们定义了一个Lambda表达式 `func`,它接受两个整数参数 `x` `y`,并返回它们的Lambda表达式中的函数体可以是任何合法的C++语句序列,例如: ``` auto func = [] { std::cout << "Hello, world!" << std::endl; }; ``` 这里,我们定义了一个Lambda表达式 `func`,它输出一条消息。 Lambda表达式可以像函数一样调用,例如: ``` int result = func(2, 3); ``` 这里,我们调用Lambda表达式 `func`,并将参数 `2` `3` 传递给它。Lambda表达式返回它们的,结果存储在变量 `result` 中。 Lambda表达式还可以作为函数参数传递,例如: ``` void process(int x, int y, std::function<int(int, int)> func) { int result = func(x, y); std::cout << "Result = " << result << std::endl; } process(2, 3, [] (int x, int y) { return x + y; }); ``` 这里,我们定义了一个函数 `process`,它接受两个整数参数 `x` `y`,以及一个函数参数 `func`,并将 `x` `y` 传递给 `func`。我们调用 `process` 函数时,使用了一个Lambda表达式作为 `func` 参数,该Lambda表达式将 `x` `y` 相加,并返回结果。最终,`process` 函数将结果输出到控制台。
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