【C++】 Lambda表达式详解

问题

描述

记得去年立了一个重学C++新特性的flag，可是真的太忙了，大部分精力都花在全栈上了，今年开始看一些开源源码，发现各种奇怪的语法，根本看不懂，不学不行了。而且接触了很多语言后，发现新特性的确能提高开发效率，所以还是重新学习下C++吧。

环境

	版本号	描述
文章日期	2023-06-09
操作系统	Win11 - 21H2 - 22000.1335
C++在线工具	https://c.runoob.com/compile/12/

1️⃣ 什么是Lambda表达式

Lambda表达式是C++11中新增的一种函数对象，它可以方便地定义一个匿名函数，从而简化代码的编写。
Lambda表达式的本质是一个可调用对象，可以像函数一样被调用，也可以作为函数参数或返回值。

Lambda 表达式的各个部分

下面是作为第三个参数 std::sort() 传递给函数的简单 lambda：

#include 
#include 

void abssort(float* x, unsigned n) {
    std::sort(x, x + n,
        // 下面是一个简单的 `Lambda 表达式`
        [](float a, float b) {
            return (std::abs(a) < std::abs(b));
        } 
    ); 
}

下图显示了 lambda 语法的各个部分：

1. 捕获列表：（capture list）（在 C++ 规范中也称为 Lambda 引导。）
2. 参数列表：（parameters list）（可选）。 （也称为 Lambda 声明符）
3. mutable 规范：（可选）。
4. 异常说明：exception-specification（可选）。
5. 返回类型：trailing-return-type（可选）。
6. Lambda 体：也就是函数体。
   

引用大佬的一张图：

2️⃣ 优缺点

优点

1. 简化代码：Lambda表达式可以将一些冗长的代码简化为一行代码，使代码更加简洁。
2. 提高可读性：Lambda表达式可以使代码更加易读，减少了一些冗余的代码，使代码更加简洁明了。
3. 提高可维护性：Lambda表达式可以使代码更加易于维护，因为它可以将一些复杂的逻辑封装在一个方法中，使代码更加模块化。

缺点

1. 学习成本高：Lambda表达式需要一定的学习成本，需要理解函数式编程的概念和Lambda表达式的语法。
2. 可读性降低：有时候Lambda表达式可能会使代码变得更加难以理解，特别是当Lambda表达式嵌套时。
3. 性能问题：Lambda表达式可能会影响程序的性能，因为它需要创建一个新的对象来表示Lambda表达式。但是，这种影响通常是微不足道的，只有在极端情况下才会有明显的性能问题。

3️⃣ 使用场景

Lambda表达式可以用于任何需要函数对象的场景，例如：

• STL算法中需要传递函数对象的地方，如std::sort、std::for_each等；
• STL容器中需要传递比较函数的地方，如std::set、std::map等；
• 多线程编程中需要传递回调函数的地方，如std::thread、std::async等。

在线C++工具

为了方便演示，找了个在线C++工具 https://c.runoob.com/compile/12/ ，可以直接在网页中运行C++代码。
效果图如下：

STL算法库

find_if应用实例

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	int x = 5;
	int y = 10;
	deque<int> coll = { 1, 3, 19, 5, 13, 7, 11, 2, 17 };
	auto pos = find_if(coll.cbegin(), coll.cend(), [=](int i) {                 
		return i > x && i < y;
	});
	
	cout << "find " << (pos != coll.end() ? "success" : "failed");

   return 0;
}

sort实例，用于对一个整数数组进行排序：
以上代码中，Lambda表达式[](int a, int b) { return a < b; }用于指定排序规则，即按照升序排列。

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    std::vector vec = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};

    // 使用Lambda表达式对vec进行排序
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) { return a < b; });

    // 输出排序后的结果
    // 1 1 2 3 3 4 5 5 5 6 9 
    for (auto x : vec)
    {
        std::cout << x << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

STL容器中需要传递比较函数（示例失败了）

下面代码不能在C++在线工具上正常运行，vs2022上也未能正常运行，以后再研究吧，实在没整明白。

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	auto fc = [](const std::string& a, const std::string& b) {
		return a.length() < b.length();
	};
	std::map<std::string, int, decltype(fc)*> myMap = {{"apple", 5}, {"banana0", 10}, {"orange", 15}};

    // 使用迭代器遍历map
    std::cout << "使用迭代器遍历map：" << std::endl;
    for (auto it = myMap.begin(); it != myMap.end(); ++it) {
        std::cout << it->first << " : " << it->second << std::endl;
    }

    // 使用范围for循环遍历map
    // std::cout << "使用范围for循环遍历map：" << std::endl;
    // for (const auto& [key, value] : myMap) {
    //     std::cout << key << " : " << value << std::endl;
    // }

    return 0;
}

多线程示例

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    // vector 容器存储线程
    std::vector<std::thread> workers;
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
    {
        workers.push_back(std::thread([]() 
        {
            std::cout << "thread function\n";
        }));
    }
    std::cout << "main thread\n";

    // 通过 for_each 循环每一个线程
    // 第三个参数赋值一个task任务
    // 符号'[]'会告诉编译器我们正在用一个匿名函数
    // lambda函数将它的参数作为线程的引用t
    // 然后一个一个的join
    std::for_each(workers.begin(), workers.end(), [](std::thread &t;) 
    {
        t.join();
    });

    return 0;
}

4️⃣ Lambda表达式与函数指针的比较

Lambda表达式与函数指针类似，都可以用于定义函数对象。但是，Lambda表达式相比函数指针具有以下优点：

• Lambda表达式可以捕获外部变量，从而方便地访问外部环境；
• Lambda表达式可以定义在函数内部，从而避免了命名冲突的问题；
• Lambda表达式可以使用auto关键字自动推导返回值类型，从而简化代码。

5️⃣ 捕获列表

Lambda表达式的捕获列表用于指定Lambda表达式中使用的外部变量。捕获列表可以为空，也可以包含以下内容：

• []：不捕获任何外部变量；
• [&]：以引用方式捕获所有外部变量；
• [=]：以值方式捕获所有外部变量；
• [var1, var2, ...]：指定捕获特定的外部变量；
• [&, var1, var2, ...]：以引用方式捕获所有外部变量，并指定捕获特定的外部变量；
• [=, &var1, &var2, ...]：以值方式捕获所有外部变量，并以引用方式捕获特定的外部变量。

6️⃣ 返回值类型

Lambda表达式的返回值类型可以显式指定，也可以使用auto关键字自动推导。如果Lambda表达式的函数体只有一条语句，且该语句的返回值类型可以自动推导，则可以省略返回值类型和return关键字。

7️⃣ 工作原理

编译器会把一个Lambda表达式生成一个匿名类的匿名对象，并在类中重载函数调用运算符，实现了一个operator()方法。
以auto print = []{cout << "Hello World!" << endl; };为例，编译器会把上面这一句翻译为下面的代码：

class print_class
{
public:
	void operator()(void) const
	{
		cout << "Hello World!" << endl;
	}
};
// 用构造的类创建对象，print此时就是一个函数对象
auto print = print_class();

ps: 仿函数（functor）又称为函数对象（function object）是一个能行使函数功能的类。仿函数的语法几乎和我们普通的函数调用一样，不过作为仿函数的类，都必须重载operator()运算符，仿函数与Lamdba表达式的作用是一致的。
stl中含有大量类似的对象，如std::less：

参考资料

• 微软Lambda教程 https://learn.microsoft.com/zh-cn/cpp/cpp/lambda-expressions-in-cpp?view=msvc-170
• C++ Lambda表达式详解 https://blog.csdn.net/qq_37085158/article/details/124626913
• 在线C++工具 https://c.runoob.com/compile/12/