C++11 Lambda表达式的用法与原理

以你之姓@ 2023-09-26 09:47 101阅读 0赞

### Lambda表达式 ###

*  一、Lambda表达式的概念
 *  二、为什么引入Lambda表达式
 *  三、Lambda表达式的语法规则
 *   *  1. lambda表达式各部分说明
     *  2. 捕获列表说明
 *  四、Lambda表达式原理

# 一、Lambda表达式的概念 #

Lambda 表达式（lambda expression）是一个匿名函数，Lambda表达式基于数学中的λ演算得名，直接对应于其中的lambda抽象（lambda abstraction），是一个匿名函数，即没有函数名的函数。Lambda表达式可以表示闭包（注意和数学传统意义上的不同）。

# 二、为什么引入Lambda表达式 #

以C++98为例，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。

int main()
    {
        
    	int array[] = {
         4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 };
    
    	// 默认按照小于比较，排出来结果是升序
    	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    
    	// 如果需要降序，需要改变元素的比较规则
    	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), std::greater<int>());
    	return 0;
    }

但是如果待排序的元素为自定义类型，则需要用户自定义排序时的比较规则：

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()
    {
        
    	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());
    	
    }

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，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。

# 三、Lambda表达式的语法规则 #

lambda表达式书写格式：

> \[capture-list\] (parameters) mutable -> return-type \{ statement\}

## 1. lambda表达式各部分说明 ##

*  \[capture-list\] : 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。
 *  (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。
 *  mutable：默认情况下，lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。**使用该修饰符时，参数列表不可省略**(即使参数为空)。
 *  \->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，也可省略，由编译器对返回类型进行推导**。
 *  \{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选部分，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：\[\]\{\}; 该lambda函数不能做任何事情。

代码样例：

int main()
    {
        
    	// 最简单的lambda表达式, 该lambda表达式没有任何意义
    	[] {
        };
    
    	// 省略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 = 3, b = 4;
    	[=] {
        return a + 3; };
    
    
    	// 省略了返回值类型，无返回值类型
    	auto fun1 = [&](int c) {
        b = a + c; };
    	fun1(10);
    		cout << a << " " << b << endl;
    
    	// 各部分都很完善的lambda函数
    	auto fun2 = [=, &b](int c)->int {
        return b += a + c; };
    	cout << fun2(10) << endl;
    
    	// 复制捕捉x
    	int x = 10;
    	auto add_x = [x](int a) mutable {
         x *= 2; return a + x; };
    	cout << add_x(10) << endl;
    	return 0;
    }

通过上述例子可以看出，**lambda表达式实际上可以理解为无名函数，该函数无法直接调用，如果想要直接调用，可借助auto将其赋值给一个变量**。

## 2. 捕获列表说明 ##

捕捉列表描述了上下文中那些数据可以被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
>  *  \[=\]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)
>  *  \[&var\]：表示引用传递捕捉变量var
>  *  \[&\]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)
>  *  \[this\]：表示值传递方式捕捉当前的this指针

【注意】

1.  父作用域指包含了Lambda表达式的语句块。
2.  **语法上捕捉列表可由多个捕捉项组成，并以逗号分隔**。  
    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
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：\[=, a\]：=已经以值传递方式捕捉了所有变量，捕捉a重复
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。

void (*PF)(); //函数指针
    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，便会知晓其缘由
        //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;
    }

# 四、Lambda表达式原理 #

函数对象，又称为仿函数，即可以想函数一样使用的对象，就是在类中重载了operator()运算符的类对象。

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。  
![b78fcf770af848fbb137a5185195f641.png][]  
**实际在底层编译器对于lambda表达式的处理方式，完全就是按照函数对象的方式处理的，即：如果定义了一个lambda表达式，编译器会自动生成一个类，在该类中重载了operator()。**

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