【C++】Lambda表达式的使用

学习目标：

例如：

• 了解Lambda的优点
• 掌握Lambda表达式的使用
• 了解Lambda表达式的底层原理

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学习内容：

1. Lambda表达式的语法

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Lambda表达式

lambda表达式的底层实现涉及到闭包（Closure）的概念。闭包是一个函数对象，它可以捕获外部作用域中的变量，并在其生命周期内访问和修改这些变量。lambda表达式的底层实现就是通过创建闭包来实现的。

具体而言，lambda表达式在底层会被转化为一个函数对象。这个函数对象中包含了捕获的外部变量，并且重载了函数调用运算符operator()。函数对象可以像普通的函数一样被调用，其执行的代码就是lambda表达式中的代码。

lambda表达式的展开过程包括以下几个步骤：

1. 语法解析：将lambda表达式解析为函数对象的声明和定义。
2. 生成函数对象：根据lambda表达式的参数、返回类型和捕获列表等信息，生成一个函数对象。
3. 生成仿函数类：根据生成的函数对象，生成一个仿函数类（Functor），其中重载了函数调用运算符operator()。
4. 类型推导：根据lambda表达式中的代码和上下文，进行类型推导，确定函数对象的参数类型和返回类型。
5. 生成代码：根据类型推导的结果，生成调用函数对象的代码。
6. 调用lambda表达式：通过调用函数对象的operator()，执行lambda表达式中的代码。

排序案例

对于一个简单的数组来说：

#include
#include
#include
using namespace std;

int main(void)
{
	vector<int>arr = { 9,8,5,6,3,2,1,5,12,13,14,520 };

	sort(arr.begin(), arr.end());
	for (auto& e : arr)
	{
		cout << e << " ";
		e++;
	}
	cout << endl;

	sort(arr.begin(), arr.end(), greater<int>());
	for (auto& e : arr)
	{
		cout << e << " ";
		e++;
	}
	return 0;
}

这样排序和简单，但是实际开发当中都是在类当中排序，如下。

#include
#include
#include
using namespace std;

struct Goods
{
	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(void)
{
	vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
	for (auto& e : v)
	{
		cout << e._name<<" "<<e._price<<" "<<e._evaluate<<endl;
	}
	cout << "==============================" << endl;
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
	for (auto& e : v)
	{
		cout << e._name << " " << e._price << " " << e._evaluate << endl;
	}
	return 0;
}

每一种排序方式都要写一个类，然后重载operator()，这样是不是有点太麻烦了，因此，C++11增加了Lambda表达式，来简化这一过程。

如下是Lambda表达式的使用样例：

#include
#include
#include
using namespace std;

struct Goods
{
	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)
	{}
};



int main(void)
{
	vector v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
	sort(v.begin(), v.end(), [](Goods& s1, Goods& s2)->bool{
		return s1._price < s2._price;
		});
	for (auto& e : v)
	{
		cout << e._name<<" "<bool {
		return s1._price > s2._price;
		});
	for (auto& e : v)
	{
		cout << e._name << " " << e._price << " " << e._evaluate << endl;
	}
	return 0;
}

其实Lambda表达式就是一个匿名函数。

Lambda表达式语法

语法格式：[捕捉列表](参数列表)mutable->返回类型{函数体}

捕捉列表	能够捕捉当前栈帧的所有对象（全局的也可以捕捉到）
参数列表	和函数中的参数列表一样，int a,int b这些
mutable	默认情况下Lambda表达式是一个const函数，不能被修改，而mutable可以取消const，可以对参数进行修改
返回类型	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。
函数体	函数的具体实现，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。

C++中最简单的Lambda表达式：[]{}，但它并不能干什么。

#include
using namespace std;

int main(void)
{
	int a = 1, b = 2,c=5;
	auto func1=[=] {return a + b; };
	cout << func1() << endl;
	auto func2 = [=](int a, int b) {return a + b + c; };
	cout << func2(a,b)<<endl;
	auto fun2 = [=, &b](int c)->int {return b += a + c; };
	cout << fun2(10) << endl;

	return 0;
}

捕捉列表

lambda函数在捕获外部变量时会创建一个闭包。闭包是指一个函数对象，它包含了函数定义时的环境信息，包括捕获的外部变量。通过捕获外部变量，lambda函数可以在其定义的作用域之外使用这些变量。闭包的存在使得lambda函数可以延长外部变量的生命周期，并且可以在函数调用结束后仍然访问这些变量。这是lambda函数的一个非常强大的特性。

[var]	捕捉值传递变量var
[=]	表达值传递的所有变量(当前栈帧)
[&var]	捕捉引用传递变量var
[&]	捕捉引用传递的所有变量(当前栈帧)、包括this
[this]	捕捉当前的this

Tip:

1.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]：以引用传递的方式捕捉变量a和b，值传递方式捕捉其他所有变量 [&，a, this]：值传递方式捕捉变量a和this，引用方式捕捉其他变量

2.捕捉列表不允许变量重复传递，否则就会导致编译错误。 比如：[=, a]：=已经以值传递方式捕捉了所有变量，捕捉a重复。

3.在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。

4.Lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同。

void (*PF)();
int main()
{
 	auto f1 = []{cout << "hello world" << endl; };
 	auto f2 = []{cout << "hello world" << endl; };
    // 此处先不解释原因，等lambda表达式底层实现原理看完后，大家就清楚了
 	//f1 = f2;   // 编译失败--->提示找不到operator=()
    // 允许使用一个lambda表达式拷贝构造一个新的副本
 	auto f3(f2);
 	f3();
 	// 可以将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针
 	PF = f2;
 	PF();
 	return 0;
}

Lambda表达式模拟

	auto print = [] {cout << "hello world"; };
	print();

比如这样的一个表达式，机器会自动翻译为如下的代码：

	class __lambda_Print_123
	{
	public:
		void operator()(void)
		{
			cout << "hello world" << endl;
		}
	};

还有这样的

	int a = 5, b = 2;
	auto Add = [](int a, int b)->int {return a + b; };

会翻译成如下代码：

	class __lambda_Add_123 {
	public:
		int operator()(int a, int b) const {
			return a + b;
		}
	};