【C++11】lambda表达式

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lambda表达式

C++98中的一个例子

在C++98中，如果想要对一个数据集合中的元素进行排序，可以使用std::sort方法。举例如下：

#include
#include

//仿函数
template<typename T>
bool greater(T a, T b)
{
	return a > b;
}

int main()
{
	int arr[] = { 4,1,8,5,3,4,0,9,2,6 };

	//默认按照小于比较，排出来的结果是升序
	std::sort(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));

	//如果需要降序，需要改变元素的比较规则，利用上仿函数
	std::sort(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]), greater<int>);

	return 0;
}

如果待排序元素为自定义类型，需要用户定义排序时的比较规则：

#include
#include
#include
using namespace std;
//商品结构体
struct Goods
{
	string _name;//名字
	double _price;//价格
	int _evaluate;//评价条数

	Goods(const char* str,double price,int evaluate)
		:_name(str)
		,_price(price)
		,_evaluate(evaluate)
	{}
};
struct ComparePriceLess
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price < g2._price;
	}
};
struct ComparePriceGreater
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price > g2._price;
	}
};
int main()
{
	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(), ComparePriceLess());
	//>
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());

	return 0;
}

随着C++语法的发展，人们开始觉得上面的写法太复杂了，每次为了实现一个algorithm算法，
都要重新去写一个类（仿函数），如果每次比较的逻辑不一样，还要去实现多个类，特别是相同类的命名，这些都给编程者带来了极大的不便。因此，在C++11语法中出现了Lambda表达式。

lambda表达式语法

lambda表达式书写格式：[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { statement }

lambda表达式各部分说明：

1. [capture-list]：捕捉列表，该列表总是出现在lambda函数的开始位置，编译器根据[]来判断接下来的代码是否为lambda函数，捕捉列表能够捕捉上下文中的变量供lambda函数使用。
2. (parameters)：参数列表。与普通函数的参数列表一致，如果不需要参数传递，则可以连同()一起省略。
3. mutable：mutable可以取消其常量性，变成易变性。使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使参数为空），默认情况下，对于以值传递方式引入的外部变量，不允许在 Lambda 表达式内部修改它们的值（可以理解为这部分变量都是 const 常量）。而如果想修改它们，就必须使用 mutable 关键字。对于以值传递方式引入的外部变量，Lambda 表达式修改的是拷贝的那一份，并不会修改真正的外部变量。。
4. ->returntype: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，也可以省略，由编译器对返回类型进行推导。
5. {statement}：函数体。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。

注意：
在lambda函数定义中，参数列表和返回值类型都是可省略的部分，而捕捉列表和函数体可以为空。因此C++11中最简单的lambda函数为[]{}，不过该lambda函数不能做任何事情。

#include
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
	//最简单的lambda表达式，该lambda表达式没有任何意义
	[] {};

	//省略了参数列表和返回值类型，返回值类型由编译器推导为int
	int a = 2, b = 4;
	//全部传值捕捉,相当于[a,b]
	[=] {return a + 3; };

	//省略了返回值类型，无返回值类型
	//全部传引用捕捉,相当于[&a,&b],所以会改变b的值
	auto func1 = [&](int c) {b = a + c; };
	func1(10);
	cout << a << " " << b << endl;//2 12

	//各部分都很完善的lambda函数
	//b采用传引用捕捉，其它都采用传值捕捉
	auto func2 = [=, &b](int c)->int {return b += a + c; };
	cout << func2(10) << endl;//24

	//传值捕捉x
	int x = 10;
	auto add_x = [x](int a) mutable {
		x *= 2;
		return a + x;
	};
	cout << add_x(10) << endl;//30

	return 0;
}

解释了一堆学术语言，多说无益，我们通过实操来理解。

lambada表达式的使用

例1：下面的代码用lambda表达式实现了加法运算：

//初识lambda表达式
#include
using namespace std;
int main()
{
	//[](int x, int y)->int {return x + y; }是一个lambda对象
	auto add1 = [](int x, int y)->int {return x + y; };//将lambda对象赋给add1

	cout << add1(1, 2) << endl;//调用方式


	cout << [](int x, int y)->int {return x + y; }(1, 2) << endl;//这样写也没错，但是很怪

	//也可以将函数体展开写，这样清楚一些
	auto add2 = [](int x, int y)
	{
		return x + y;
	};

	return 0;
}

例2：下面的代码用lambda表达式实现了简单的交换函数：

#include
using namespace std;
int main()
{
	int x = 0, y = 1;

	auto swap1 = [](int& rx, int& ry)
	{
		int tmp = rx;
		rx = ry;
		ry = tmp;
	};
	swap1(x, y);
	cout << x << " " << y << endl;

	return 0;
}

那么如何应用捕捉列表呢？捕捉列表的作用是能够捕捉上下文的变量供lambda表达式使用。这样实现可以吗？

#include
using namespace std;
int main()
{
	int x = 0, y = 1;

	auto swap1 = [](int& rx, int& ry)
	{
		int tmp = rx;
		rx = ry;
		ry = tmp;
	};
	swap1(x, y);
	cout << x << " " << y << endl;//交换成功：1 0

	//传值捕捉
	auto swap2 = [x, y]() mutable
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};

	swap2();
	cout << x << " " << y << endl;//未实现交换：1 0

	return 0;
}

解析：swap2用的是传值捕捉，它捕捉了上文的x和y变量，供swap2这个lambda对象使用，由于lambda函数总是一个const函数，变量具有常性，我们无法进行数据的交换，所以我们用上了mutable修饰，这样变量就有了易变性，可以实现交换，但是运行结果告诉我们这样写并没有成功实现交换，那是因为swap2是一个传值捕捉，就类似传值函数一样，出了函数作用域，形参就销毁了，所以实际并没有实现交换。

正确写法如下：需要利用传引用捕捉。

#include
using namespace std;
int main()
{
	int x = 0, y = 1;

	auto swap1 = [](int& rx, int& ry)
	{
		int tmp = rx;
		rx = ry;
		ry = tmp;
	};
	swap1(x, y);
	cout << x << " " << y << endl;//交换成功：1 0

	//传引用捕捉
	auto swap2 = [&x, &y]() mutable
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};

	swap2();
	cout << x << " " << y << endl;//未实现交换：1 0

	return 0;
}

例3：自定义类型，解决我们一开始的仿函数问题。

#include
#include
#include
using namespace std;
//商品结构体
struct Goods
{
	string _name;//名字
	double _price;//价格
	int _evaluate;//评价条数

	Goods(const char* str,double price,int evaluate)
		:_name(str)
		,_price(price)
		,_evaluate(evaluate)
	{}
};
int main()
{
	vector<Goods> v = { {"苹果",2.1,5},{"香蕉",3,4},{"橙子",2.2,3},{"菠萝",1.5,4} };

	//< 升序
	auto priceLess = [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._price < g2._price; };
	sort(v.begin(), v.end(), priceLess);

	//>降序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {
		return g1._price > g2._price;
	});

	return 0;
}

捕获列表说明

捕捉列表描述了上下文中的数据可以被lambda使用，以及使用的方式传值还是传引用。

• [var]：表示值传递方式捕捉变量var——传值捕捉
• [=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)——全部传值捕捉
• [&var]：表示引用传递捕捉变量var——传引用捕捉
• [&]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)——全部传引用捕捉
• [this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针——传值捕捉this指针

注意：

1. 父作用域指包含lambda函数的语句块

2. 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]：表示传引用捕捉变量a和b，传值捕捉其它所有变量；[&,a,this]：表示传值捕捉变量a和this指针，传引用捕捉其它变量。

3. 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]:=等号已经传值捕捉了所有变量，再传值捕捉a会导致重复问题。

4. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。

5. 在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中的局部变量，捕捉任何非此作用域或者非局部变量都会导致编译报错。

6. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同。那么有什么方法可以使lambda表达式相互赋值呢？方法如下：再拷贝构造一个lambda对象。

#include
using namespace std;
void(*pf)();
int main()
{
	auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };

	//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;
}

函数对象与lambda表达式

函数对象，又称为仿函数，即可以像函数一样使用的对象，lambda表达式的底层，其实就是编译器根据Lambda表达式的捕获列表、参数列表、返回类型以及函数体等信息，生成一个匿名类，通常包含一个或多个构造函数，用于初始化捕获的外部变量。构造函数的参数与捕获列表中的变量相对应，并重载了operator()成员函数，用于实现Lambda表达式的功能。当Lambda表达式被调用时，实际上是调用了这个匿名类的operator()成员函数。

#include
using namespace std;

class Rate
{
public:
	Rate(double rate) : _rate(rate)
	{}
	double operator()(double money, int year)
	{
		return money * _rate * year;
	}
private:
	double _rate;
};
int main()
{
	// 函数对象
	double rate = 0.49;
	Rate r1(rate);
	r1(10000, 2);
	// lamber
	auto r2 = [=](double monty, int year)->double {return monty * rate*year;
	};
	r2(10000, 2);
	return 0;
}

从使用方式上来看，函数对象与lambda表达式完全一样。

函数对象将rate作为其成员变量，在定义对象时给出初始值即可，lambda表达式通过捕获列表可
以直接将该变量捕获到。

编译器在编译时，将Lambda表达式替换为创建匿名类实例的代码，并通过该实例调用operator()成员函数。这个匿名类实例通常是一个临时对象，只在Lambda表达式被调用的地方存在。