[c++11]Lambda 表达式 – Miskcoo's Space

在 C++11 中新增了一个特性 —— Lambda 表达式，它提供了一个简便的方法来创建一个函数对象。

至于函数对象，它的用途通常是在调用标准库算法的时候作为核心部分传入的，比如说 std::sort 默认是从小到大排序，然而如果我们要从大到小排序在 C++ 98/03 中有三种方法

// solution 1
bool cmp(int a, int b)
{
	return b < a;
}

std::sort(iter_begin, iter_end, cmp);

// solution 2
struct comparer
{
	bool operator () (int a, int b) const
	{
		return b < a;
	}
};

std::sort(iter_begin, iter_end, comparer());

// solution 3
std::sort(iter_begin, iter_end, std::greater<int>());

// solution 1

bool cmp(int a, int b)

{

return b < a;

}

std::sort(iter_begin, iter_end, cmp);

// solution 2

struct comparer

{

bool operator () (int a, int b) const

{

return b < a;

}

};

std::sort(iter_begin, iter_end, comparer());

// solution 3

std::sort(iter_begin, iter_end, std::greater<int>());

第一种是给 std::sort 一个函数，第二种是给一个函数对象，第三种是用标准库 functional 里面已经定义好了的函数对象

你可能会说，第三种多快多方便，但是，如果比较算法一变得复杂起来，如果标准库没有提供这样的函数对象，那你就不得不选择前两种方法了，肯定，很多人会选择第一种。

但是…… 如果你的比较函数要依赖于一个外部的，比较函数调用之时才确定的，那么第一种就无能为力了，考虑下面这个例子

class between 
{
	double low, high;
public:
	between(double l, double u) : low(l), high(u) {}
	bool operator () (const employee& e)
	{
		return e.salary() >= low && e.salary() <= high;
	}
};

// some codes
double min_salary;
// some codes

std::find_if(employees.begin(), employees.end(), 
	between(min_salary, 1.1 * min_salary));

class between

{

double low, high;

public:

between(double l, double u) : low(l), high(u) {}

bool operator () (const employee& e)

{

return e.salary() >= low && e.salary() <= high;

}

};

// some codes

double min_salary;

// some codes

std::find_if(employees.begin(), employees.end(),

between(min_salary, 1.1 * min_salary));

这种写法无疑会消耗很多时间，增加很多代码量，于是 Lambda 表达式便在 C++11 标准中诞生了。

double min_salary;
// some codes
std::find_if(employees.begin(), employees.end(), 
	[&] (const employee& e) { 
		return e.salary() >= min_salary && e.salary() <= max_salary;
	} );

double min_salary;

// some codes

std::find_if(employees.begin(), employees.end(),

[&] (const employee& e) {

return e.salary() >= min_salary && e.salary() <= max_salary;

} );

Lambda 的语法是这样的，首先以 [] 打头，之后是和普通函数一样的参数列表，然后是函数体，如果有返回值（假定为 T），那么在参数列表后加上 -> T，它语法大概就写成这样，最简单的 lambda 表达式就是 []{} 它什么都不做

[ capture ] ( argument-list ) -> return-type { statement }

[ capture ]：捕获列表。它总是出现在 lambda 函数开头，并且不能省略，事实上，它是 lambda 函数的引出符。捕获列表可以捕捉上下文中的变量以供 lambda 函数内部使用，具体用法请看下文。
( argument-list )：参数列表。和普通函数参数列表一样，如果没够参数可以连同括号一起省略。
mutable：默认情况下 lambda 函数总是 const 函数，也就是说捕获的变量不可修改。mutable 可以取消其常量性，若有这个修饰符，参数列表不可省略。
return-type：函数返回类型。详见下文
{ statement }：函数体。

或者按照标准给出其全部语法（看不懂就跳过吧）

lambda-expression:
lambda-introducer lambda-declarator_opt compound-statement

lambda-introducer:
[ lambda-capture_opt ]

lambda-captrue:
    capture-default
    capture-list
    capture-default , capture-list

capture-default:
&
=

captrue-list:
captrue ..._opt
capture-list , captrue ..._opt

capture:
    identifier
    & identifier
    this

lambda-declarator:
( parameter-declaration-clause ) mutable_opt
exception-specification_opt attribute-specifier-seq_opt trailing-return-type_opt

[](){};
[](int v) { return v * v; };

1 2	[](){}; [](int v) { return v * v; };

Lambda 表达式求值的结果是个 prvalue 的临时对象，我们叫做闭包对象（closure object），lambda 表达式不能出现在不需要求值的操作数中。

Lambda 表达式的类型也是由编译器决定的，它是独有的、未命名的类对象，我们叫做闭包类型（closure type），要存储它可以用 auto 或者 std::function 这个类。

如果一个 lambda 表达式没有包含 lambda-declarator（见上面的语法），那么 lambda-declarator 就像是 () 。如果一个 lambda 表达式没有指定返回类型，那么它的返回类型会按照下面这个方法来确定

如果 lambda 表达式函数体（就是上面的 compound-statement）有下面这个格式
- { return expression; }
- { attribute-specifier-seq return expression; }
那么其返回类型是 expression 的返回类型（这个类型经过 lvalue-to-rvalue 转换、array-to-pointer 转换、function-to-pointer 转换）。
其余情况返回类型都是 void。

auto x1 = [](int i) { return i; };  // OK: return type is int
auto x2 = [] { return {1, 2}; };    // error: the return type is void
                               // (a braced-init-list is not an expression)

auto x1 = [](int i) { return i; }; // OK: return type is int

auto x2 = [] { return {1, 2}; }; // error: the return type is void

// (a braced-init-list is not an expression)

Lambda 表达式的闭包类型（closure type）有一个公有（public）的内连的（inline）函数调用操作符号，它的参数和返回类型和 lambda 表达式声明中的一样。并且这个函数调用操作符默认被声明为 const 成员函数，如果要取消其常量性，必须如上面语法描述一样添加 mutable 关键字。

Lambda 表达式的闭包类型（closure type）如果不带有任何捕获（lambda-cpture），那么，它会拥有一个公有的（public），非虚的（non-virtual），非显式的（non-explicit）常量转换函数，可以让你把它转换到一个函数指针。

using func_t = int(int);

int x;
auto f = [](int x) { return x * x; };
auto g = [x](int t) { return t * t; };
func_t* ff = f;   // OK, f with no capture
func_t* gg = g;   // ERROR, f has a capture

using func_t = int(int);

int x;

auto f = [](int x) { return x * x; };

auto g = [x](int t) { return t * t; };

func_t* ff = f; // OK, f with no capture

func_t* gg = g; // ERROR, f has a capture

Lambda 表达式的捕获可以捕捉外部的变量，因为默认在 lambda 表达式内部，外层的变量是不可见的，如果想要使用就需要捕获。

如果使用了 & 捕获，那么外层所有变量都可以访问，并且默认是以引用形式存在，在 lambda 表达式内部用到外部变量的时候就会被以引用方式隐式地捕获。如果使用了 = 捕获，那么外层所有变量都可以访问，并且默认会进行复制，lambda 函数的闭包类型里有其副本。如果 lambda 表达式是在一个类中的成员函数声明的，那么还有一种 this 捕获，这个捕获使得 this 指针可见（如果捕获方法是 =，那么默认会有 this 捕获，因此在其后不可以声明 this 捕获）

简单来说

如果一个变量是被隐式捕捉（implicitly captured）（也就是没有在捕获列表中写出变量但是写了 = 或 &）并且其捕获列表默认捕获方式是 =，或者它是显式（explicitly captured）地被捕获（也就是在捕获列表中写出了这个变量的名字），并且前面没有 &，那么它通过复制方式捕捉（captured by copy）。
如果一个变量显式或隐式地被捕获，但是不是通过复制方式，那么它就是通过引用方式捕获（captured by reference）。

int x = 10, y = 10, n = 10, m = 10;
auto f = [&] { x *= x; };            // x is captured by reference implicitly
auto g = [=]() mutable { y *= y; };  // y is captured by copy implicitly
// n is captured by copy explicitly
// m is captured by reference explicitly
auto t = [n, &m]() mutable { n *= n, m *= m; };   
// (x, y, m, n) = (10, 10, 10, 10)
f(); g(); t();
// (x, y, m, n) = (100, 10, 100, 10)

int x = 10, y = 10, n = 10, m = 10;

auto f = [&] { x *= x; }; // x is captured by reference implicitly

auto g = [=]() mutable { y *= y; }; // y is captured by copy implicitly

// n is captured by copy explicitly

// m is captured by reference explicitly

auto t = [n, &m]() mutable { n *= n, m *= m; };

// (x, y, m, n) = (10, 10, 10, 10)

f(); g(); t();

// (x, y, m, n) = (100, 10, 100, 10)

如果两个变量，一个想要按值捕获，一个想要按引用捕获，那么可以在捕获列表里分别写出例如 [x, &y] 表示 x 按照值捕获，y 按照引用捕获。如果最开头声明了 =，那么之后只能声明某个变量按照引用捕获，例如 [=, &y] 表示除了 y 之外的所有变量按照值捕获，y 按照引用捕获。一个变量不能在捕获列表中出现超过一次。

struct S2 { void f(int); };
void S2::f(int i)
{
	[&, i]{};    // OK，i 按值捕获
	[&, &i]{};   // ERROR，i 按照引用捕获，可是引用捕获是默认的
	[=, this]{}; // ERROR，默认按值捕获时，不需要 this
	[i, i]{};    // ERROR，i 重复
}

struct S2 { void f(int); };

void S2::f(int i)

{

[&, i]{}; // OK，i 按值捕获

[&, &i]{}; // ERROR，i 按照引用捕获，可是引用捕获是默认的

[=, this]{}; // ERROR，默认按值捕获时，不需要 this

[i, i]{}; // ERROR，i 重复

}

只有在一个 lambda 表达式的最小作用域（smallest enclosing scope）是块作用域（block scope）之时，捕获才是允许的，否则不允许有捕获的出现。

在缺省实参（default argument）中的 lambda 表达式不允许捕捉（显式或隐式）任何变量。

void f2()
{
	int i = 1;
	void g1(int = [i]{ return i; }());         // ill-formed
	void g2(int = [i]{ return 0; }());         // ill-formed
	void g3(int = [=]{ return i; }());         // ill-formed
	void g4(int = [=]{ return 0; }());         // OK
	void g5(int = []{ return sizeof(i); }());  // OK
}

void f2()

{

int i = 1;

void g1(int = [i]{ return i; }()); // ill-formed

void g2(int = [i]{ return 0; }()); // ill-formed

void g3(int = [=]{ return i; }()); // ill-formed

void g4(int = [=]{ return 0; }()); // OK

void g5(int = []{ return sizeof(i); }()); // OK

}

如果一个 lambda 表达式 m2 捕获了一个变量，并且这个变量被外部的一个 lambda 表达式 m1 捕获，那么 m2 的捕获会进行如下转换：

如果 m1 以复制方式捕获那个变量，那么 m2 捕获 m1 的闭包类型相关联的数据成员。
如果 m1 以引用方式捕获那个变量，那么 m1 会捕获与 m1 相同的实体。

具体的可以看下面这个例子

// output: 123234
int a = 1, b = 1, c = 1;
auto m1 = [a, &b, &c]() mutable {
	auto m2 = [a, b, &c]() mutable {
		std::cout << a << b << c;
		a = 4, b = 4, c = 4;
	};
	a = 3, b = 3, c = 3;
	m2();
};
a = 2, b = 2, c = 2;
m1();
std::cout << a << b << c;

// output: 123234

int a = 1, b = 1, c = 1;

auto m1 = [a, &b, &c]() mutable {

auto m2 = [a, b, &c]() mutable {

std::cout << a << b << c;

a = 4, b = 4, c = 4;

};

a = 3, b = 3, c = 3;

m2();

};

a = 2, b = 2, c = 2;

m1();

std::cout << a << b << c;

最后，在可变参数模板（variadic template）中，如果一个捕获后跟着 ...，那么意味着这是一个包展开（pack expansion），例如

template<typename... Args>
void f(Args... args)
{
	auto lm = [&, args...] { return g(args...); };
	lm();
}

template<typename... Args>

void f(Args... args)

{

auto lm = [&, args...] { return g(args...); };

lm();

}

miskcoo

顺利从福州一中毕业！感觉大学周围都是聚聚十分可怕QAQ 想要联系的话欢迎发邮件：miskcoo [at] gmail [dot] com

7 thoughts on “[c++11]Lambda 表达式”

Magica says:

August 4, 2014 at 4:06 am

不得不说cxx11的lambda语法挺难看的……不过特性够全

1. Magica says:
  
  August 4, 2014 at 11:15 am
  
  你可以看下coffeescript的lambda语法
  
  1. miskcoo says:
    
    August 4, 2014 at 11:33 am
    
    好简洁…… 说起来我好像想起来 cxx lambda 第一个版本是长这样的看起来更难看 = = <>(int a) -> int { return a * a; }
    
2. Magica says:
  
  August 4, 2014 at 11:27 am
  
  不对想了想还是推荐看Ruby的代码块语法
  
  1. miskcoo says:
    
    August 4, 2014 at 11:36 am
    
    看起来好奇怪【其实是没学过没看懂、
    
    1. Magica says:
      
      August 4, 2014 at 12:19 pm
      
      Ruby
      
      a = [1, 3, 2] a.sort do |x, y| y x end
      
      1
      2
      3
      4
      
      a = [1, 3, 2]
      a.sort do |x, y|
      y x
      end
      
      后面这个do...end其实本质可以看做是一个语法糖包装的lambda 等价于cxx11
      
      C++
      
      sort(a.begin(), a.end(), [&](int a, int b) { return a > b; });
      
      1
      
      sort(a.begin(), a.end(), [&](int a, int b) { return a > b; });
      
      1. miskcoo says:
        
        August 4, 2014 at 12:40 pm
        
        看起来好帅！

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