VC10和C++ 0x (1) - lambda表达式
【本文大部分内容译自Visual C++ Team Blog】http://blogs.msdn.com/vcblog/archive/2008/10/28/lambdas-auto-and-static-assert-c-0x-features-in-vc10-part-1.aspx
尽管C++社区对C++ 0x很是追捧，但是各厂商对于新标准的支持并不热乎。盼星星盼月亮，微软作为Windows平台上最强势的C++编译器厂商也终于在Visual Studio 2010中开始支持C++ 0x的特性。
Lambda表达式，auto 和静态断言（static_assert）
Visual Studio 2010中的Visual C++编译器，即VC10, 包含了4个C++ 0x的语言特性 - lambda表达式，auto，static_assert 和 rvalue reference (右值引用).
相关链接：
- C++0x language feature status: http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2705.html
- C++0x library feature status: http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2706.html
- C++0x Working Draft: http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2798.pdf
lambdas
使用过函数式编程语言(如lisp, F#)或一些动态语言(如Python，Javascript)的大侠对于lambda表达式一定不会陌生。
在C++ 0x中，引入了lambda表达式来定义无名仿函数。下面是一个lambda表达式的简单例子：
// File: meow.cpp
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <ostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
return 0;
}
C:\Temp>cl /EHsc /nologo /W4 meow.cpp > NUL && meow
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
for_each一行中，中括号[]称为lambda introducer, 它告诉编译器接下来的是一个lambda表达式；接下来(int n)是lambda表达式的参数声明；最后大括号里边就是“函数体”了。
注意这里因为lambda表达式生成的是functor，所以“函数体”实际上是指这个functor的operator （）的调用部分。你也许会问：那么返回值呢？缺省情况下lambda表达式生成的functor调用
返回类型为void.
所以，可以理解为上边的代码会被编译器翻译成如下：
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <ostream>
#include <vector>
using namespace std;
struct LambdaFunctor {
void operator()(int n) const {
cout << n << " ";
}
};
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
for_each(v.begin(), v.end(), LambdaFunctor());
cout << endl;
return 0;
}
为了方便，以下会用"lambda返回void"的简短表述来代替冗长啰嗦的表述：lambda表达式生成一个functor类型，这个functor类型的函数调用操作符（operator()）返回的类型是void.
请大家一定记住：lambda表达式生成了类型，并构造该类型的实例。
下面的例子中lambda表达式的“函数体”包含多条语句：
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <ostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) {
cout << n;
if (n % 2 == 0) {
cout << " even ";
} else {
cout << " odd ";
}
});
cout << endl;
return 0;
}
上文提到了lambda表达式缺省情况下返回void. 那么如果需要返回其他类型呢？
答案是：lambda表达式的“函数体”中如果有一个return的表达式，例如{ return expression; },那么编译器将自动推演expression的类型作为返回类型。
#include <algorithm>
#include <deque>
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <ostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
deque<int> d;
transform(v.begin(), v.end(), front_inserter(d), [](int n) { return n * n * n; });
for_each(d.begin(), d.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
}
上例中返回值n * n * n很简单，类型推演是显而易见的。但是如果lambda表达式中有非常复杂的表达式时，编译器可以无法推演出其类型，或者是推演出现二义性，这时候你可以
显式地指明返回值类型。如下所示：
transform(v.begin(), v.end(), front_inserter(d), [](int n) -> double {
if (n % 2 == 0) {
return n * n * n;
} else {
return n / 2.0;
}
});
黑体部分中有的“-> double”显式地指明了lambda表达式的返回类型是double.
以上例子中的lambda都是无状态的(stateless)，不包含任何数据成员。很多时候我们需要lambda包含数据成员以保存状态，这一点可以通过“捕获”(capturing)局部变量来实现。
lambda表达式的导入符(lambda-introducer)是空的，也就是“[]”，表明该lambda是一个无状态的。但是在lambda导入符中可以指定一个“捕获列表”(capture-list)。
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
int x = 0;
int y = 0;
cout << "Input: ";
cin >> x >> y;
v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), [x, y](int n) { return x < n && n < y; }), v.end());
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
}
上边的代码中的lambda使用了局部变量x和y，将值介于x和y之间的元素从集合中删除。
程序运行示例如下 -
Input: 4 7
0 1 2 3 4 7 8 9
上边的代码可以理解为：
class LambdaFunctor {
public:
LambdaFunctor(int a, int b) : m_a(a), m_b(b) { }
bool operator()(int n) const { return m_a < n && n < m_b; }
private:
int m_a;
int m_b;
};
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
int x = 0;
int y = 0;
cout << "Input: ";
cin >> x >> y;
v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), LambdaFunctor(x, y)), v.end());
copy(v.begin(), v.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
cout << endl;
}
上面代码中很重要的一点信息是：lambda中捕获的局部变量是以“传值”的方式传给匿名函数对象的。在匿名函数对象中，保存有“捕获列表”中局部变量的拷贝。
这一点使得匿名函数对象的生命周期能够长于main中的x，y局部变量。然而这样的传值方式带来几个限制：
- lambda中的这两个拷贝并不能被改变，因为缺省情况下函数对象的operator（）是const;
- 有的对象的拷贝操作开销很大或者不可能（例如如果上面代码中的x, y是数据库链接或者某个singleton）
- 即使在lambda内部修改了m_a, m_b也不能够影响外边main函数中的x和y
既然有了“传值”，你一定猜到了还会有“传引用”。bingo! 你是对的。
在讨论“传引用”之前，我们先来看看另一个比较有用的东西。假设你有一大堆的局部变量需要被lambda使用，那么你的“捕获列表”将会写的很长，这肯定不是件愉快的事情。
好在C++委员会的老头们也想到了，C++ 0x中提供了一个省心的东西：如果捕获列表写成 [=]，表示lambda将捕获所有的局部变量，当然也是传值方式。这种方式姑且被称为“缺省捕获”(capture-default)。
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
int x = 0;
int y = 0;
cout << "Input: ";
cin >> x >> y; // EVIL!
v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), [=](int n) { return x < n && n < y; }), v.end());
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
}
当编译器在lambda的作用范围内看到局部变量x, y时，它会以传值的方式从main函数中将他们捕获。
下面我们来看如何突破前面提到的3点限制。
第一点，修改lambda表达式中的局部变量拷贝(e.g. m_a, m_b)
缺省情况下，lambda的operator ()是const 修饰的，但是你可以使用mutable关键字改变这一点。
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
int x = 1;
int y = 1;
for_each(v.begin(), v.end(), [=](int& r) mutable {
const int old = r;
r *= x * y;
x = y;
y = old;
});
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
cout << x << ", " << y << endl;
}
代码运行结果如下
0 0 0 6 24 60 120 210 336 504
1, 1
这里我们解决了第一个限制，但是却产生了一个新的限制
4. lambda中对捕获变量的修改并不会影响到main函数中的局部变量，因为lambda捕获局部变量使用的是传值方式
下面该“传引用”的方式登场了，它能够有效地解决2，3，4三个限制。
传引用的语法为： lambda-introducer [&x, &y]
这里的捕获列表应该理解为：X& x, Y& y ; 因为我们实际上是取的x,y的引用而不是地址。
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
int x = 1;
int y = 1;
for_each(v.begin(), v.end(), [&x, &y](int& r) {
const int old = r;
r *= x * y;
x = y;
y = old;
});
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
cout << x << ", " << y << endl;
}
运行结果如下 -
0 0 0 6 24 60 120 210 336 504
8, 9
上面代码会被编译器“翻译”成：
#pragma warning(push)
#pragma warning(disable: 4512) // assignment operator could not be generated
class LambdaFunctor {
public:
LambdaFunctor(int& a, int& b) : m_a(a), m_b(b) { }
void operator()(int& r) const {
const int old = r;
r *= m_a * m_b;
m_a = m_b;
m_b = old;
}
private:
int& m_a;
int& m_b;
};
#pragma warning(pop)
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
int x = 1;
int y = 1;
for_each(v.begin(), v.end(), LambdaFunctor(x, y));
copy(v.begin(), v.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
cout << endl;
cout << x << ", " << y << endl;
}
注意：当你使用lambda时，VC10编译器会为lambda的定义部分自动禁用C4512警告。
当以传引用方式捕获局部变量时，lambda的函数对象在自己内部以引用方式保存main函数中的局部变量。
当然因为使用的是局部对象的引用，使用lambda表达式时一定要注意不能够超出局部变量的生命周期。
和上文提高的[=]类似，我们可以用[&]来以“传引用”的方式捕获所有的局部变量。
到目前为止，局部变量的捕获方式要么是“值语义”要么是“引用语义”，那么可以混合这两种方式吗？可以！
例如：[a, b, c, &d, e, &f, g]，其中变量d和f是按引用语义捕获，而a,b,c,e和g是按值语义捕获。
另外很有用的一点是：你可以指定一个缺省捕获(capture-default)，然后重载（override）某些局部变量的捕获方式。
下边例子中[=, &sum, &product]告诉编译器用值语义方式捕获所有的局部变量，但是有两个例外 - sum和product是按引用语义来捕获。
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
int sum = 0;
int product = 1;
int x = 1;
int y = 1;
for_each(v.begin(), v.end(), [=, &sum, &product](int& r) mutable {
sum += r;
if (r != 0) {
product *= r;
}
const int old = r;
r *= x * y;
x = y;
y = old;
});
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
cout << "sum: " << sum << ", product: " << product << endl;
cout << "x: " << x << ", y: " << y << endl;
}
运行结果如下 -
0 0 0 6 24 60 120 210 336 504
sum: 45, product: 362880
x: 1, y: 1
再来看看下边的代码 - 在lambda中使用类成员变量
class Kitty {
public:
explicit Kitty(int toys) : m_toys(toys) { }
void meow(const vector<int>& v) const {
for_each(v.begin(), v.end(), [m_toys](int n) {
cout << "If you gave me " << n << " toys, I would have " << n + m_toys << " toys total." << endl;
});
}
private:
int m_toys;
};
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
v.push_back(i);
}
Kitty k(5);
k.meow(v);
}
不幸的是，编译这段代码将产生这样的错误：
error C3480: 'Kitty::m_toys': a lambda capture variable must be from an enclosing function scope
为什么呢？lambda表达式能够让你不活局部变量，但是类的数据成员并不是局部变量。
解决方案呢？别着急。lambda为捕获类的数据成员大开方便之门，你可以捕获this指针。
class Kitty {
public:
explicit Kitty(int toys) : m_toys(toys) { }
void meow(const vector<int>& v) const {
for_each(v.begin(), v.end(), [this](int n) {
cout << "If you gave me " << n << " toys, I would have " << n + m_toys << " toys total." << endl;
});
}
private:
int m_toys;
};
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
v.push_back(i);
}
Kitty k(5);
k.meow(v);
}
运行结果 -
If you gave me 0 toys, I would have 5 toys total.
If you gave me 1 toys, I would have 6 toys total.
If you gave me 2 toys, I would have 7 toys total.
当lambda表达式捕获“this”时，编译器看到m_toys后会在this所指向对象的范围内进行名字查找，m_toys被隐式地推演为this->m_toys。当然你也可以让编译器省省力气。显式地在
捕获列表中使用 this->m_toys。
lambda比较智能，你也可以隐式地捕获this指针。如下所示：
class Kitty {
public:
explicit Kitty(int toys) : m_toys(toys) { }
void meow(const vector<int>& v) const {
for_each(v.begin(), v.end(), [=](int n) {
cout << "If you gave me " << n << " toys, I would have " << n + m_toys << " toys total." << endl;
});
}
private:
int m_toys;
};
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
v.push_back(i);
}
Kitty k(5);
k.meow(v);
}
运行结果：
If you gave me 0 toys, I would have 5 toys total.
If you gave me 1 toys, I would have 6 toys total.
If you gave me 2 toys, I would have 7 toys total.
注意你也可以在上面代码中用 [&]，但是结果是一样的 - this指针永远是按值语义被传递(捕获)的。你也不能够使用 [&this]，呵呵。
如果你的lambda表达式是没有参数的，那么lambda表达式的导入符后边的括号()也可以省掉。例如：
int main() {
vector<int> v;
int i = 0;
generate_n(back_inserter(v), 10, [&] { return i++; });
for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
cout << endl;
cout << "i: " << i << endl;
}
运行结果如下：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
i: 10
上边是 [&]() { return i++; }的简写形式。个人认为省掉括号并不是什么好的coding style。
下面是纯粹搞笑的写法：
int main() {
[](){}();
[]{}();
}
注意lambda的语法为：
( lambda-parameter-declaration-listopt ) mutableopt exception-specificationopt lambda-return-type-clauseopt
所以如果你需要用到mutable或者指定lambda的返回类型，空的括号就不能够省略了。
最后尽然lambda表达式生成是普通的函数对象，所以函数对象支持的用法lambda都支持。例如和tr1的function一起使用，
看看下边的代码，是不是很酷？
using namespace std;
using namespace std::tr1;
void meow(const vector<int>& v, const function<void (int)>& f) {
for_each(v.begin(), v.end(), f);
cout << endl;
}
int main() {
vector<int> v;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
v.push_back(i);
}
meow(v, [](int n) { cout << n << " "; });
meow(v, [](int n) { cout << n * n << " "; });
function<void (int)> g = [](int n) { cout << n * n * n << " "; };
meow(v, g);
}
运行结果：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 1 4 9 16 25 36 49 64 81
0 1 8 27 64 125 216 343 512 729
【THE END】
If you hate him, teach him C++, for it's hell