C++ Lambda 表达式

C++11 标准引入了对匿名函数的支持,称为 Lambda 函数,也叫 Lambda 表达式。利用 Lambda 表达式,就可以很方便地定义和创建匿名函数。

虽然“Lambda 表达式”或“匿名函数”对 C++ 来说是“新玩意儿”,但其实很多高级语言在很早以前就已经提供了 Lambda 表达式的功能,比如 Python、C# 等等。

在 C++ 中,Lambda 表达式把函数看作对象,我们可以像使用对象一样使用 Lambda 表达式,也可以将它们赋给变量和作为参数传递,还可以像函数一样对其求值。

声明 Lambda 表达式

Lambda 表达式的声明与函数声明非常类似,语法格式如下:

[capture list] (params list) mutable exception-> return type { function body }

各项具体含义如下:

  • capture list:捕获外部变量列表(可选的)
  • params list:参数列表(可选的,类似于函数中的形式参数)
  • mutable 指示符:用于说明是否可以修改捕获的变量
  • exception:异常设定
  • return type:返回值类型
  • function body:函数体

通过省略其中某些成分,常见的 Lambda 表达式声明有以下几种:

序号 格式
[capture list] (params list) -> return type { function body }
[capture list] (params list) { function body }
[capture list] { function body }

其中,格式 ① 声明了 const 类型的表达式,这种类型的表达式不能修改捕获列表中的值。

格式 ② 省略了返回值类型,但编译器可以根据以下规则推断出 Lambda 表达式的返回类型:

  • 如果 function body 中存在 return 语句,则该 Lambda 表达式的返回类型由 return 语句的返回类型确定;
  • 如果 function body 中没有 return 语句,则返回值为 void 类型。

格式 ③ 中省略了参数列表,类似普通函数中的无参函数。

示例:下面的代码声明了一个比较 int 类型变量 x,y 大小的 Lambda 表达式。

[](int x, int y) -> bool { return x < y ; }

示例:一个简单的 Lambda 表达式。

[]{ ++global_x; }

示例:一个更复杂的 Lambda 表达式。

[](int x, int y) -> int { int z = x + y; return z + x; }

函数体中,一个临时的参数 z 被创建用来存储中间结果。如同一般的函数,z 的值不会保留到下一次该匿名函数再次被调用时。

Lambda 使用示例

下面示例展示了 Lambda 表达式的用法。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

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

int main(void)
{
    vector<int> myvec{ 3, 2, 5, 7, 3, 2 };
    vector<int> lbvec(myvec);

    /* 旧式做法 */
    sort(myvec.begin(), myvec.end(), cmp);
    cout << "predicate function:" << endl;
    for (int it : myvec)
        cout << it << ' ';
    cout << endl;

    /* Lambda表达式 */
    sort(lbvec.begin(), lbvec.end(), [](int a, int b) -> bool { return a < b; });
    cout << "lambda expression:" << endl;
    for (int it : lbvec)
        cout << it << ' ';
    cout << endl;

    return 0;
}

在 C++11 之前,我们使用 STL 的 sort 函数,需要提供一个谓词函数。而使用 C++11 的 Lambda 表达式,只需要传入一个匿名函数即可,方便简洁,而且代码的可读性也比旧式的做法好多了。

捕获外部变量

Lambda 表达式可以使用其可见范围内的外部变量,但必须明确声明(明确声明哪些外部变量可以被该 Lambda 表达式使用)。Lambda 表达式通过在最前面的方括号 [capture list] 来明确指明其内部可以访问的外部变量,这一过程也称过 Lambda 表达式“捕获”了外部变量。

示例:

int main(void)
{
    int a = 100, b = 200;
    auto f = [a, b] { int c = a + b; cout << c << endl; };
    f(); // 输出 300

    // 或通过“函数体”后面的‘()’传入参数,输出 123
    auto x = [](int a) -> int { cout << a << endl; return a; }(123);

    return 0;
}

上述示例先声明了两个整型变量 a 和 b,然后再创建 Lambda 表达式,该表达式“捕获”了 a 和 b 变量,这样在 Lambda 表达式函数体中就可以获得该变量的值。

类似参数传递方式(值传递、引入传递、指针传递),在Lambda表达式中,外部变量的捕获方式也有值捕获、引用捕获、隐式捕获。

值捕获

值捕获和参数传递中的值传递类似,被捕获的变量的值在 Lambda 表达式创建时通过值拷贝的方式传入,因此随后对该变量的修改不会影响影响 Lambda 表达式中的值。

示例:

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [a] { cout << a << endl; }; 
    a = 321;
    f(); // 输出:123
}

说明:如果以传值方式捕获外部变量,则在 Lambda 表达式函数体中不能修改该外部变量的值。

引用捕获

使用引用捕获一个外部变量,只需要在捕获列表变量前面加上一个引用说明符 &。

示例:

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [&a] { cout << a << endl; }; 
    a = 321;
    f(); // 输出:321
}

说明:引用捕获的变量使用的实际上就是该引用所绑定的对象。

隐式捕获

上面的值捕获和引用捕获都需要我们在捕获列表(capture list)中显式列出 Lambda 表达式中使用的外部变量。除此之外,我们还可以让编译器根据函数体中的代码来推断需要捕获哪些变量,这种方式称之为隐式捕获。

隐式捕获有两种方式,分别是 [=][&]。其中,[=] 表示以值捕获的方式捕获外部变量,[&] 表示以引用捕获的方式捕获外部变量。

隐式值捕获示例:

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [=] { cout << a << endl; };    // 值捕获
    f(); // 输出:123
}

隐式引用捕获示例:

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [&] { cout << a << endl; };    // 引用捕获
    a = 321;
    f(); // 输出:321
}

混合方式

除此之外,Lambda 表达式还支持混合的方式捕获外部变量,这种方式主要是将上面几种捕获方式的组合使用。

总结来说,C++11 中的 Lambda 表达式捕获外部变量主要有以下形式:

捕获形式 说明
[] 不捕获任何外部变量。
[变量名, ...] 默认以值得形式捕获指定的多个外部变量(用逗号分隔),
如果引用捕获,需要显示声明(使用 & 说明符)。
[this] 以值的形式捕获this指针。
[=] 以值的形式捕获所有外部变量。
[&] 以引用形式捕获所有外部变量。
[=, &x] 变量 x 以引用形式捕获,其余变量以传值形式捕获。
[&, x] 变量 x 以值的形式捕获,其余变量以引用形式捕获。

修改捕获变量

在 Lambda 表达式中,如果以传值方式捕获外部变量,则函数体中不能修改该外部变量,否则会引发编译错误。如果想要修改捕获变量,则需要使用 mutable 关键字,该关键字用以说明表达式体内的代码可以修改值捕获的变量。

示例:

int main()
{
    int a = 123;
    auto f = [a]()mutable { cout << ++a; }; // 不会报错
    cout << a << endl; // 输出:123
    f(); // 输出:124
}

Lambda 表达式的参数

本文开头提到,Lambda 表达式的参数类似于普通函数的形式参数。不过,在 Lambda 表达式中传递参数还有一些限制。主要有以下几点:

  • 参数列表中不能有默认参数;
  • 不支持可变参数;
  • 所有参数必须有参数名。

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