C++11 【 lambda表达式】

niu_sama

已于 2024-11-02 15:56:30 修改

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分类专栏： c++ 文章标签： c++ java 开发语言

于 2024-11-02 15:55:36 首次发布

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lambda表达式

lambda表达式

C++98中的一个例子

在C++98中，如果想要对一个数据集合中的元素进行排序，可以使用std::sort方法。

int main()
{
	int array[] = { 4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 };
	// 默认按照小于比较，排出来结果是升序
	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	// 如果需要降序，需要改变元素的比较规则
	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), std::greater<int>());
	return 0;
}

如果待排序元素为自定义类型，需要用户定义排序时的比较规则：

struct Goods
{
	std::string _name; //名字
	double _price; // 价格
	int _evaluate; // 评价
	Goods(const char* str, double price, int evaluate)
		:_name(str)
		,_price(price)
		,_evaluate(evaluate)
	{}
};

struct ComparePriceLess
{
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
	{
			return gl._price < gr._price;
	}
};

struct ComparePriceGreater
{
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
	{
		return gl._price > gr._price;
	}
};

int main()
{
	std::vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
	std::sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
	std::sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
}

随着C++语法的发展，人们开始觉得上面的写法太复杂了，每次为了实现一个algorithm算法，都要重新去写一个类，如果每次比较的逻辑不一样，还要去实现多个类，特别是相同类的命名，这些都给编程者带来了极大的不便。因此，在C++11语法中出现了Lambda表达式。

lambda表达式语法

lambda表达式书写格式：capture-listmutable->return-type{statement}

lambda表达式各部分说明

[capture-list]：捕捉列表。该列表总是出现在lambda函数的开始位置，编译器根据[]来判断接下来的代码是否为lambda函数，捕捉列表能够捕捉上下文中的变量供lambda函数使用。
(parameters)：参数列表。与普通函数的参数列表一致，如果不需要参数传递，则可以连同()一起省略。
mutable：默认情况下，lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使参数为空）。
->return-type：返回值类型。用追踪返回类型形式声明函数的返回值类型，没有返回值时此部分可以省略。返回值类型明确情况下,也可省略，由编译器对返回类型进行推导。
{statement}：函数体。在该函数体内，除了可以使用其参数外，还可以使用所有捕获到的变量。

注意：
在lambda函数定义中，参数列表和返回值类型都是可选部分，而捕捉列表和函数体可以为空。
因此C++11中最简单的lambda函数为：[]{}; 该lambda函数不能做任何事情。

int main()
{
	// 最简单的lambda表达式, 该lambda表达式没有任何意义
	[] {};

	// 省略参数列表和返回值类型，返回值类型由编译器推导为int
	int a = 3, b = 4;
	[=] {return a + 3; };

	// 省略了返回值类型，无返回值类型
	auto fun1 = [&](int c) {b = a + c; };
	fun1(10);
	std::cout << a << " " << b << std::endl;

	// 各部分都很完善的lambda函数
	auto fun2 = [=, &b](int c)->int {return b += a + c; };
	std::cout << fun2(10) << std::endl;

	// 复制捕捉x
	int x = 10;
	auto add_x = [x](int a) mutable { x *= 2; return a + x; };
	std::cout << add_x(10) << std::endl;
	return 0;
}

通过上述例子可以看出，lambda表达式实际上可以理解为无名函数，该函数无法直接调用，如果想要直接调用，可借助auto将其赋值给一个变量。

捕获列表说明

捕获列表描述了上下文中哪些数据可以被lambda函数使用，以及使用的方式是传值还是传引用。

[var]：表示值传递方式捕捉变量var。
[=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量（成员函数包括this指针）。
[&var]：表示引用传递捕捉变量var。
[&]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量（成员函数包括this指针）。
[this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针。

说明一下：

父作用域指的是包含lambda函数的语句块。
语法上捕捉列表可由多个捕捉项组成，并以逗号分割。比如[=, &a, &b]。
捕捉列表不允许变量重复传递，否则会导致编译错误。比如[=, a]重复传递了变量a。
在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空，即全局lambda函数的捕捉列表必须为空。
在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中的局部变量，捕捉任何非此作用域或者非局部变量都会导致编译报错。
lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同。

lambda表达式交换两个数

如果要用lambda表达式交换两个数，可以有以下几种写法：

标准写法

参数列表中包含两个形参，表示需要交换的两个数，注意需要以引用的方式传递。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [](int& x, int& y)
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	Swap(a, b); //交换a和b
	return 0;
}

注意：

lambda表达式是一个匿名函数，该函数无法直接调用，如果想要直接调用，可借助auto将其赋值给一个变量，此时这个变量就可以像普通函数一样使用。
lambda表达式的函数体在格式上并不是必须写成一行，如果函数体太长可以进行换行，但换行后不要忘了函数体最后还有一个分号。

利用捕捉列表进行捕捉

以引用的方式捕捉所有父作用域中的变量，省略参数列表和返回值类型。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [&]()->void
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b
	return 0;
}

这样一来，调用lambda表达式时就不用传入参数了，但实际我们只需要用到变量a和变量b，没有必要把父作用域中的所有变量都进行捕捉，因此也可以只对父作用域中的a、b变量进行捕捉。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [&a , &b]()->void
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b
	return 0;
}

注意：
实际当我们以[&]或[=]的方式捕获变量时，编译器也不一定会把父作用域中所有的变量捕获进来，编译器可能只会对lambda表达式中用到的变量进行捕获，没有必要把用不到的变量也捕获进来，这个主要看编译器的具体实现。

lambda表达式底层原理

实际编译器在底层对于lambda表达式的处理方式，完全就是按照函数对象的方式处理的。函数对象就是我们平常所说的仿函数，就是在类中对()运算符进行了重载的类对象。

下面编写了一个Add类，该类对()运算符进行了重载，因此Add类实例化出的add1对象就叫做函数对象，add1可以像函数一样使用。然后我们编写了一个lambda表达式，并借助auto将其赋值给add2对象，这时add1和add2都可以像普通函数一样使用。比如：

class Add
{
public:
	Add(int base)
		:_base(base)
	{}
	int operator()(int num)
	{
		return _base + num;
	}
private:
	int _base;
};
int main()
{
	int base = 1;

	//函数对象
	Add add1(base);
	add1(1000);

	//lambda表达式
	auto add2 = [base](int num)->int
	{
		return base + num;
	};
	add2(1000);
	return 0;
}

调试代码并转到反汇编，可以看到：

在创建函数对象add1时，会调用Add类的构造函数。
在使用函数对象add1时，会调用Add类的()运算符重载函数。

在这里插入图片描述
观察lambda表达式时，也能看到类似的代码：

借助auto将lambda表达式赋值给add2对象时，会调用<lambda_uuid>类的构造函数。
在使用add2对象时，会调用<lambda_uuid>类的()运算符重载函数。

在这里插入图片描述
本质就是因为lambda表达式在底层被转换成了仿函数。

当我们定义一个lambda表达式后，编译器会自动生成一个类，在该类中对()运算符进行重载，实际lambda函数体的实现就是这个仿函数的operator()的实现。
在调用lambda表达式时，参数列表和捕获列表的参数，最终都传递给了仿函数的operator()。

lambda表达式和范围for是类似的，它们在语法层面上看起来都很神奇，但实际范围for底层就是通过迭代器实现的，lambda表达式底层的处理方式和函数对象是一样的。

lambda表达式之间不能相互赋值

lambda表达式之间不能相互赋值，就算是两个一模一样的lambda表达式。

因为lambda表达式底层的处理方式和仿函数是一样的，在VS下，lambda表达式在底层会被处理为函数对象，该函数对象对应的类名叫做<lambda_uuid>。
类名中的uuid叫做通用唯一识别码（Universally Unique Identifier），简单来说，uuid就是通过算法生成一串字符串，保证在当前程序当中每次生成的uuid都不会重复。
lambda表达式底层的类名包含uuid，这样就能保证每个lambda表达式底层类名都是唯一的。

因此每个lambda表达式的类型都是不同的，这也就是lambda表达式之间不能相互赋值的原因，我们可以通过typeid(变量名).name()的方式来获取lambda表达式的类型。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap1 = [](int& x, int& y)->void
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	auto Swap2 = [](int& x, int& y)->void
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	cout << typeid(Swap1).name() << endl; //class <lambda_797a0f7342ee38a60521450c0863d41f>
	cout << typeid(Swap2).name() << endl; //class <lambda_f7574cd5b805c37a13a7dc214d824b1f>
	return 0;
}