C++11 lambda(匿名函数)表达式详细介绍

2022-11-13 12:11:19 函数表达式详细介绍

前言

Lambda（匿名函数）表达式是c++11最重要的特性之一，lambda来源于函数式编程的概念，也是现代编程语言的一个特点。

优点如下：

声明式编程风格：就地匿名定义目标函数或函数对象，有更好的可读性和可维护性。
简洁：不需要额外写一个命名函数或函数对象，，避免了代码膨胀和功能分散。
更加灵活：在需要的时间和地点实现功能闭包。

概念及基本用法

lambda表达式定义了一个匿名函数，并且可以捕获一定范围内的变量。语法形式如下：

[ capture ] ( params ) opt -> ret { body; };

capture：捕获列表
params：参数列表
opt：函数选项
ret：返回值类型
body：函数体

一个完整的lambda表达式是这样：

auto f = [](int a) -> int {return a + 1;};
cout << f(3) << endl;  //输出4

以上定义了一个完整的lambda，但是在实际的使用中，可以省略其返回值的定义，编译器会根据return语句进行自动推导返回值类型。

省略过后如下：

auto f = [](int a) {return a + 1;};

需要注意的是，初始化列表不能用于返回值的自动推导：

如：auto f = [](){return {1,2};}; //error:无法推导返回值类型

另外，如果表达式没有参数列表时，也可以省略，如：

auto f = []{return 1;};

捕获变量

lambda表达式可以通过捕获列表捕获一定范围内的变量，主要有以下几种情况：

[] 不捕获任何变量
[&]捕获外部作用域中所有变量，并作为引用在函数体中使用（按引用捕获）
[=]捕获外部作用域中所有变量，并作为副本在函数体重使用（按值捕获）
[=,&foo] 按值捕获外部作用域中所有变量，并按引用捕获foo变量
[bar] 按值捕获bar变量，同时不捕获其他变量
[this] 捕获当前类中的this指针，让表达式拥有和当前类成员函数同样的访问权限。如果已经使用了&或者=，就默认添加此选项。捕获this的目的是可以在lambda中使用当前类的成员变量和成员函数。

通过示例来看具体用法：

class A 
{
public:
    int i_ = 0;
    
    void func(int x,int y)
    {
        auto x1 = []{return i_;};  // error,没有捕获外部变量
        auto x2 = [=]{return i_ + x + y;}; //ok，按值捕获所有外部变量
        auto x3 = [&]{return i_ + x + y;}; //ok，按引用捕获所有外部变量
        auto x4 = [this]{return i_;}; //ok，捕获this指针
        auto x5 = [this]{return i_ + x + y;}; //error,没有捕获x和y变量
        auto x6 = [this,x,y]{return i_ + x + y;}; //ok，捕获了this指针和x、y变量
        auto x7 = [this]{return i_++;}; //ok，捕获了this指针，修改成员变量的值
    }
};

int a = 0 , b = 0 ;
auto f1 = []{return a;}; // error,没有捕获外部变量
auto f2 = [&]{return a++;}; //ok，捕获所有外部变量，并对a变量自加
auto f3 = [=]{return a;}; //ok，捕获所有外部变量，并返回a
auto f4 = [=]{return a++;}; //error,a变量是以复制方式捕获的，不能修改
auto f5 = [a]{return a+b;}; //error,没有捕获b变量
auto f6 = [a,&b]{return a+ (b++);}; //ok，捕获a以及b的引用，对b进行自加
auto f7 = [=,&b]{return a+ (b++);}; //ok, 捕获所有外部变量和b的引用，对b进行自加

需要注意的是，lambda无法修改按值捕获的外部变量，如果需要修改外部变量，可以通过引用方式捕获。

关于lambda表达式的延迟调用很容易出错,如下：

int a = 0;
auto f = [=]{return a;};
a += 1;
cout << f() << endl;

以上示例中，lambda按值捕获了所有外部变量，在捕获的时候 a的值就已经被复制到 f 中了，之后a被修改，但是f里面存储的a仍然是捕获时的值，所以最终输出的是 0.

如果希望lambda表达式在调用的时候能够访问外部变量，需要使用引用方式捕获。

所以简单来说，按值捕获，外部变量会被复制一份存储在lambda表达式变量中。

如果是按值捕获并且又想修改外部变量，可以显示指明lambda表达式为mutable：

int a = 0;
auto f1 = [=]{return a++;};  //error,修改按值捕获的外部变量
auto f2 = [=]() mutable {return a++;}; //ok

被mutable修饰的lambda表达式就算没有参数也要写明参数列表。

lambda表达式类型

lambda表达式的类型在C++11中被称为“闭包类型”，它是一个特殊的，匿名的非nuNIOn的类型。

可以认为它是带有一个operator()的类，即仿函数。
我们可以通过std::function和std::bind来存储和操作lambda表达式：

std::function<int(int)> f1 = [](int a){return a;};
std::function<int(void)> f2 = std::bind([](int a){return a;},123);

另外，对于没有捕获任何变量的lambda表达式，还可以被转换成一个普通的函数指针：

using func_t = int(*)(int);
func_t f = [](int a){return a;};
f(123);

lambda可以说是就地定义仿函数闭包的“语法糖”。它的捕获列表捕获住任何外部变量，最终都会变为闭包类型的成员变量。而一个成员变量的类的operator()，如果能直接被转换为普通的函数指针，那么lambda表达式本身的this指针就丢掉了。而没有捕获任何外部变量的lambda表达式则不存在这个问题。

需要注意的是，没有捕获变量的lambda表达式可以直接转换为函数指针，而捕获变量的lambda表达式则不能转换为函数指针。如下：

typedef void(*Ptr)(int*);
Ptr p = [](int *p){delete p;};  //ok
Ptr p1 = [&](int *p){delete p;}; //error

前面说到的按值捕获无法修改捕获的外部变量，因为按照C++标准，lambda表达式的operator()默认是const的，一个const成员函数是无法修改成员变量的值，而mutable的作用，就是取消operator()的const限制。

声明式的编程风格

通过示例来看一下lambda的使用，在C++11之前，如果要用for_each函数将数组中的偶数数量打印出来，代码如下：

#include <vector>
#include <alGorithm>
class Count
{
public:
    Count(int &val):num(val){}
    void operator()(int val){
        if(!(val & 1)){
            ++num;
        }
    }
private:
    int &num;
};

int main()
{
    std::vector<int> v = {1,2,3,4,5,6,7};
    int count = 0;
    for_each(v.begin(),v.end(),Count(count));
    std::cout << count << endl;
    return 0;
}

如果使用lambda表达式，就可以简化一下，真正使用闭包概念来替换这里的仿函数。

#include <vector>
#include <algorithm>

int main()
{
    std::vector<int> v = {1,2,3,4,5,6,7};
    int count = 0;
    for_each(v.begin(),v.end(),[&count](int val){
        if(!(val & 1)){
            ++count;
        }
    });

    std::cout << count << endl;
    return 0;
}

lambda表达式的价值在于，就地封装短小的功能闭包，方便地表达出我们希望执行的具体操作，并让上下文结合的更加紧，代码更加简洁，更灵活，也提高了开发效率及可维护性。

参考：《深入应用C++11》

总结

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