C++之Lambda表达式

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C++ 11 中的 Lambda 表达式用于定义并创建匿名的函数对象，以简化编程工作。

Lambda语法分析

Lambda 的语法形式如下：[capture](parameters) mutable ->return-type{statement}

[函数对象参数] (操作符重载函数参数) mutable 或 exception 声明 -> 返回值类型 {函数体}。可以看到，Lambda 主要分为五个部分：[函数对象参数]、(操作符重载函数参数)、mutable 或 exception 声明、-> 返回值类型、{函数体}.

(1) [capture][函数对象参数]：标识一个 Lambda 表达式的开始，这部分必须存在，不能省略。函数对象参数是传递给编译器自动生成的函数对象类的构造函数的。函数对象参数只能使用那些到定义 Lambda 为止时 Lambda 所在作用范围内可见的局部变量(包括 Lambda 所在类的 this，通俗：主函数的局部变量等)。函数对象参数有以下形式：

1. []。没有任何函数对象参数。
2. [=]。函数体内可以使用 Lambda 所在范围内所有可见的局部变量（包括 Lambda 所在类的 this），并且是值传递方式（相当于编译器自动为我们按值传递了所有局部变量）。
3. [&]。函数体内可以使用 Lambda 所在范围内所有可见的局部变量（包括 Lambda 所在类的 this），并且是引用传递方式（相当于是编译器自动为我们按引用传递了所有局部变量）。
4. [this]。函数体内可以使用 Lambda 所在类中的成员变量。
5. [a]。将 a 按值进行传递。按值进行传递时，函数体内不能修改传递进来的 a 的拷贝，因为默认情况下函数是 const 的，要修改传递进来的拷贝，可以添加 mutable 修饰符。
6. [&a]。将 a 按引用进行传递。
7. [a，&b]。将 a 按值传递，b 按引用进行传递。
8. [=，&a，&b]。除 a 和 b 按引用进行传递外，其他参数都按值进行传递。
9. [&，a，b]。除 a 和 b 按值进行传递外，其他参数都按引用进行传递。
   注意：值传递，在lambda函数定义时就确定了，不会随lambda引用改变。

(2) (parameters)(操作符重载函数参数)：标识重载的 () 操作符的参数，没有参数时，这部分可以省略。参数可以通过按值（如: (a, b)）和按引用 (如: (&a, &b)) 两种方式进行传递。

(3) mutable 或 exception 声明：这部分可以省略。按值传递函数对象参数时，加上 mutable 修饰符后，可以修改传递进来的拷贝（注意是能修改拷贝，而不是值本身）。exception 声明用于指定函数抛出的异常，如抛出整数类型的异常，可以使用 throw(int)。

(4) ->return-type-> 返回值类型：标识函数返回值的类型，当返回值为 void，或者函数体中只有一处 return 的地方（此时编译器可以自动推断出返回值类型）时，这部分可以省略。

(5) {statement}{函数体}：标识函数的实现，这部分不能省略，但函数体可以为空。

示例

示例1

[] (int x, int y) { return x + y; } // 隐式返回类型

[] (int& x) { ++x; } // 没有 return 语句 -> Lambda 函数的返回类型是 'void'

[] () { ++global_x; } // 没有参数，仅访问某个全局变量

[] { ++global_x; } // 与上一个相同，省略了 (操作符重载函数参数)

可以像下面这样显示指定返回类型：[] (int x, int y) -> int { int z = x + y; return z; }
在这个例子中创建了一个临时变量 z 来存储中间值。和普通函数一样，这个中间值不会保存到下次调用。什么也不返回的Lambda 函数可以省略返回类型，而不需要使用 -> void 形式。
Lambda 函数可以引用在它之外声明的变量. 这些变量的集合叫做一个闭包. 闭包被定义在 Lambda 表达式声明中的方括号 [] 内。这个机制允许这些变量被按值或按引用捕获。如下图的例子：

示例2

std::vector<int> some_list;
int total = 0;
for (int i = 0; i < 5; ++i) some_list.push_back(i);
std::for_each(begin(some_list), end(some_list), [&total](int x){total += x;});

此例计算 list 中所有元素的总和。变量 total 被存为 Lambda 函数闭包的一部分。因为它是栈变量（局部变量）total 引用，所以可以改变它的值。

示例3

std::vector<int> some_list;
int total = 0;
int value = 5;

std::for_each(begin(some_list), end(some_list), [&, value, this](int x)
{
	total += x * value * this->some_func();
});

此例中 total 会存为引用, value 则会存一份值拷贝。对 this 的捕获比较特殊，它只能按值捕获。this 只有当包含它的最靠近它的函数不是静态成员函数时才能被捕获。对 protect 和 private 成员来说，这个 Lambda 函数与创建它的成员函数有相同的访问控制。如果 this 被捕获了，不管是显式还是隐式的，那么它的类的作用域对 Lambda 函数就是可见的。访问 this 的成员不必使用 this-> 语法，可以直接访问。

实例4

#include 
using namespace std;

int main()
{
	int j = 10;
	auto by_val_lambda = [=]{ return j + 1; };
	auto by_ref_lambda = [&]{ return j + 1; };
	
	cout<<"by_val_lambda: "<<by_val_lambda()<<endl;//11
	cout<<"by_ref_lambda: "<<by_ref_lambda()<<endl;//11
	
	++j;
	cout<<"by_val_lambda: "<<by_val_lambda()<<endl;//11 !!!!!!!!
	cout<<"by_ref_lambda: "<<by_ref_lambda()<<endl;//12
	
	return 0;
}

程序输出结果如下：
by_val_lambda: 11
by_ref_lambda: 11
by_val_lambda: 11
by_ref_lambda: 12

在by_val_lambda中，j被视为一个常量，一旦初始化后不会再改变（可以认为之后只是一个跟父作用域中j同名的常量），而在by_ref_lambda中，j仍然在使用父作用域中的值。所以，在使用Lambda函数的时候，如果需要捕捉的值成为Lambda函数的常量，我们通常会使用按值传递的方式捕捉；相反的，如果需要捕捉的值成成为Lambda函数运行时的变量，则应该采用按引用方式进行捕捉。

实例5

#include 
using namespace std;

int main()
{
	int val = 0;
	
	// auto const_val_lambda = [=](){ val = 3; }; wrong!!!
	auto mutable_val_lambda = [=]() mutable{ val = 3; };
	mutable_val_lambda();
	cout<<val<<endl; // 0
	
	auto const_ref_lambda = [&]() { val = 4; };
	const_ref_lambda();
	cout<<val<<endl; // 4
	
	auto mutable_ref_lambda = [&]() mutable{ val = 5; };
	mutable_ref_lambda();
	cout<<val<<endl; // 5
	
	return 0;
}

这段代码主要是用来理解Lambda表达式中的mutable关键字的。默认情况下，Lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。按照规定，一个const的成员函数是不能在函数体内修改非静态成员变量的值。

总结

不同编译器的具体实现可以有所不同，但期望的结果是: 按引用捕获的任何变量，Lambda 函数实际存储的应该是这些变量在创建这个 Lambda 函数的函数的栈指针，而不是 Lambda 函数本身栈变量的引用。不管怎样，因为大多数 Lambda 函数都很小且在局部作用中，与候选的内联函数很类似，所以按引用捕获的那些变量不需要额外的存储空间。
如果一个闭包含有局部变量的引用，在超出创建它的作用域之外的地方被使用的话，这种行为是未定义的!
Lambda 函数是一个依赖于实现的函数对象类型,这个类型的名字只有编译器知道. 如果用户想把 lambda 函数做为一个参数来传递, 那么形参的类型必须是模板类型或者必须能创建一个 std::function 类似的对象去捕获 lambda 函数.使用 auto 关键字可以帮助存储 lambda 函数,

auto my_lambda_func = [&](int x) { /* … */ };
auto my_onheap_lambda_func = new auto([=](int x) { /* … */ });

这里有一个例子, 把匿名函数存储在变量、数组或 vector 中,并把它们当做命名参数来传递一个没有指定任何捕获的 lambda 函数,可以显式转换成一个具有相同声明形式函数指针.所以,像下面这样做是合法的:

auto a_lambda_func = [](int x) { /* … */ };
void (*func_ptr)(int) = a_lambda_func;
func_ptr(4); // calls the lambda