C++ lambda 表达式深剖

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概念

自 C++11 开始，C++ 有三种方式可以创建/传递一个可调用的对象：

函数指针
仿函数
Lambda 表达式

lambda 表达式本质上就是一个匿名函数，它是一个强大的功能，他的使用可以简化代码，而且可以提高代码可读性

这里举一个实例，以一个物品为例：

struct Items
{
	string _name;  //名字
	double _price; //价格
	int _num;      //数量
};

如果要对若干对象分别按照价格和数量进行升序、降序排序。

首先想到可以使用 sort 函数，但由于这里待排序的元素为自定义类型，因此需要用户自行定义排序时的比较规则，要控制 sort 比较方式有常见的两种方法，一是对商品类的的 () 运算符进行重载，二是通过仿函数来指定比较方式。

重载当前类的 () 运算符是不可行的，因为这里要求分别按照价格和数量进行升序、降序排序，每次排序都去修改一下比较方式是很低效且笨重的做法

比如我用仿函数的方式进行比较：

struct ComparePriceLess//价格降序
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price < g2._price;
	}
};
struct ComparePriceGreater//价格升序
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price > g2._price;
	}
};
struct CompareNumLess//数量降序
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._num < g2._num;
	}
};
struct CompareNumGreater//数量升序
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._num > g2._num;
	}
};
int main()
{
	vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 300 }, { "香蕉", 3.3, 100 }, { "橙子", 2.2, 1000 }, { "菠萝", 1.5, 1 } };
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());    //价格升序
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater()); //价格降序
	sort(v.begin(), v.end(), CompareNumLess());      //数量升序
	sort(v.begin(), v.end(), CompareNumGreater());   //数量降序
	return 0;
}

如你所见，仿函数也顺利解决了以上问题，但是如果定义和使用位置隔的很远就不好观察，这就要求取名的时候通俗易懂，这种情况下就更加推荐使用 lambda 表达式。

比如我这里有一个做加法的仿函数：

class Plus {
 public:
  int operator()(int a, int b) {
    return a + b;
  }   
};

Plus plus; 
std::cout << plus(11, 22) << std::endl;

我们把这个加法仿函数改写成 lambda 表达式就是：

auto Plus = [](int a, int b) { return a + b; };

因为 lambda 表达式是一个匿名函数，该函数无法直接调用，这里我们借助 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

这前后一对比，显而易见两者的优劣就高下立判了

语法

lambda 表达式定义：

[ capture-list ] ( params ) mutable(optional) exception(optional) attribute(optional) -> ret(optional) { body } 

当然在书写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
说明一下各个参数：

capture-list：捕捉列表。上面的例子 auto Plus = [](int a, int b) { return a + b; }; 就没有捕获任何变量
params：和普通函数一样的参数。
mutable：只有这个 Lambda 表达式是 mutable 的才允许修改按值捕获的参数。
-> ret：返回值类型，可省略，编译器可以通过 return 语句自动推导
body：具体函数

没说明的就暂时不必理解，其中$除了捕获列表，Lambda表达式的其它地方其实和普通的函数基本一样$。lambda 参数列表和返回值类型都是可有可无的，但捕捉列表和函数体是不可省略的，因此最简单的lambda函数如下：

int main()
{
	[]{}; //最简单的lambda表达式
	return 0;
}

捕获方式

Lambda 表达式最基本的两种捕获方式是：按值捕获和按引用捕获

我们对捕获列表的说明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]：值传递捕捉变量var
[=]：值传递捕获所有父作用域中的变量（成员函数包括this指针）
[&var]：引用传递捕捉变量var
[&]：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]：值传递捕捉当前的this指针

实际当我们以 [&]（引用传递全捕获） 或 [=] （值传递全捕获）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，实际要看编译器的具体实现

父作用域就是包含 lambda 表达式的语句块，语法上捕捉列表可由多个逗号分割的捕捉项组成，比如KaTeX parse error: Expected '}', got '&' at position 18: …olor{red} {[=, &̲a, &b]} ，我们需要清楚 3 点：

1. 捕捉列表不允许重复传递，否则会导致编译错误，比如$[=,a]$重复传递了变量 a
2. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同
3. 在块作用域以外的 lambda 表达式捕捉列表必须为空！即全局lambda函数的捕捉列表必须为空，且在块作用域中的 lambda 表达式仅能捕捉父作用域中的局部变量，除此以外的都会导致编译报错。

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也不行，这不邪门儿了嘛，为啥呢？

因为 lambda 表达式底层处理方式和仿函数是一样的（本文后面的底层原理部分有细谈），在VS下 lambda 表达式会被处理为函数对象，该函数对象对应的类名叫做

类名中的uuid叫做通用唯一识别码，简单来说就是通过算法生成的一串字符串，它具有随机性和不重复性，保证在当前程序中每次生成不同的 uuid，因为 lambda 表达式底层的类名包含 uuid，这就保证了每个 lambda 表达式底层类名都是唯一的！

我们可以通过$typeid(变量名).name()$的方式来获取lambda表达式的类型来验证上述结论：

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 
	cout << typeid(Swap2).name() << endl; //class 
	return 0;
}

如你所见，就算是一模一样的 lambda 表达式，它们的类型也是不同的

mutable

在实际使用中，比如实现一个交换函数，我们用 lambda 表达式实现：

int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	auto Swap = [a, b]()
	{
		int tem = a;
		a = b;
		b = tem;
	};
	Swap(); 
	return 0;
}

这里一眼就是传值捕获，但是真的可以吗？答案是 No，他的编译不会通过，因为传值捕获到的变量默认是不可修改的（const）：

//值捕获的类型是 const 类型
int i = 100;
auto func = [i]() {
    i = 200;  // 编译错误:assignment of read-only variable ‘i’
}; 

如果要取消其常量属性，就需要在 lambda 表达式中加上 mutable 像这样：

auto Swap = [a, b]()mutable
	{
		int tem = a;
		a = b;
		b = tem;
	};

但由于是传值捕捉，lambda 表达式中对局部变量的修改不会影响本身的变量，与函数的传值传参是一个道理，因此这种方法无法完成交换功能。

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

我们编写了一个 Add 类，然后对 () 运算符进行了重载，因此 Add 类实例化出的 add1 对象就是函数对象，add1 可以像函数一样使用。接着写了一个 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

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;
}

我们再通过反汇编对代码进行观察：

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

然后 lambda 表达式这边也是和函数的过程非常类似：在借助 auto 将 lambda 表达式赋值给 add2 对象时，会调用 类的构造函数，在使用add2对象时，会调用类的()运算符重载函数

$本质就是因为lambda表达式在底层被转换成了仿函数$。

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 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()。

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