C++之Lambda表达式


1. 概述

C++ 11 中的 Lambda 表达式用于定义并创建匿名的函数对象,以简化编程工作。
Lambda 的语法形式如下:

[函数对象参数] (操作符重载函数参数) mutable 或 exception 声明 -> 返回值类型 {函数体}

可以看到,Lambda 主要分为五个部分:[函数对象参数]、(操作符重载函数参数)、mutable 或 exception 声明、-> 返回值类型、{函数体}.

2. Lambda 语法分析

2.1 [函数对象参数]

标识一个 Lambda 表达式的开始,这部分必须存在,不能省略。函数对象参数是传递给编译器自动生成的函数对象类的构造
函数的。函数对象参数只能使用那些到定义 Lambda 为止时 Lambda 所在作用范围内可见的局部变量(包括 Lambda 所在类
的 this)。函数对象参数有以下形式:

  • 空。没有任何函数对象参数。
  • =。函数体内可以使用 Lambda 所在范围内所有可见的局部变量(包括 Lambda 所在类的 this),并且是值传递方式(相
    当于编译器自动为我们按值传递了所有局部变量)。
  • &。函数体内可以使用 Lambda 所在范围内所有可见的局部变量(包括 Lambda 所在类的 this),并且是引用传递方式
    (相当于是编译器自动为我们按引用传递了所有局部变量)。
  • this。函数体内可以使用 Lambda 所在类中的成员变量。
  • a。将 a 按值进行传递。按值进行传递时,函数体内不能修改传递进来的 a 的拷贝,因为默认情况下函数是 const 的,要
    修改传递进来的拷贝,可以添加 mutable 修饰符。
  • &a。将 a 按引用进行传递。
  • a,&b。将 a 按值传递,b 按引用进行传递。
  • =,&a,&b。除 a 和 b 按引用进行传递外,其他参数都按值进行传递。
  • &,a,b。除 a 和 b 按值进行传递外,其他参数都按引用进行传递。

2.2 (操作符重载函数参数)

标识重载的 () 操作符的参数,没有参数时,这部分可以省略。参数可以通过按值(如: (a, b))和按引用 (如: (&a, &b)) 两种
方式进行传递。

2.3 mutable 或 exception 声明

这部分可以省略。按值传递函数对象参数时,加上 mutable 修饰符后,可以修改传递进来的拷贝(注意是能修改拷贝,而不是
值本身)。exception 声明用于指定函数抛出的异常,如抛出整数类型的异常,可以使用 throw(int)。

2.4 -> 返回值类型

标识函数返回值的类型,当返回值为 void,或者函数体中只有一处 return 的地方(此时编译器可以自动推断出返回值类型)
时,这部分可以省略。

2.5 {函数体}

标识函数的实现,这部分不能省略,但函数体可以为空。

3. 示例

[] (int x, int y) { return x + y; } // 隐式返回类型
[] (int& x) { ++x;  } // 没有 return 语句 -> Lambda 函数的返回类型是 'void'
[] () { ++global_x;  } // 没有参数,仅访问某个全局变量
[] { ++global_x; } // 与上一个相同,省略了 (操作符重载函数参数)

可以像下面这样显示指定返回类型:

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

在这个例子中创建了一个临时变量 z 来存储中间值。和普通函数一样,这个中间值不会保存到下次调用。什么也不返回的
Lambda 函数可以省略返回类型,而不需要使用 -> void 形式。

Lambda 函数可以引用在它之外声明的变量. 这些变量的集合叫做一个闭包. 闭包被定义在 Lambda 表达式声明中的方括
号 [] 内。这个机制允许这些变量被按值或按引用捕获。如下图的例子:

3.1 示例 1

std::vector<int> some_list;
int total = 0;
for (int i = 0; i < 5; ++i) some_list.push_back(i);
std::for_each(begin(some_list), end(some_list), [&total](int x)
{
    total += x;
});

此例计算 list 中所有元素的总和。变量 total 被存为 Lambda 函数闭包的一部分。因为它是栈变量(局部变量)total 引
用,所以可以改变它的值。

3.2 示例 2

std::vector<int> some_list;
int total = 0;
int value = 5;
std::for_each(begin(some_list), end(some_list), [&, value, this](int x)
{
    total += x * value * this->some_func();
});

此例中 total 会存为引用, value 则会存一份值拷贝。对 this 的捕获比较特殊,它只能按值捕获。this 只有当包含它的最靠近
它的函数不是静态成员函数时才能被捕获。对 protect 和 private 成员来说,这个 Lambda 函数与创建它的成员函数有相同
的访问控制。如果 this 被捕获了,不管是显式还是隐式的,那么它的类的作用域对 Lambda 函数就是可见的。访问 this 的
成员不必使用 this-> 语法,可以直接访问。

4. 总结

不同编译器的具体实现可以有所不同,但期望的结果是: 按引用捕获的任何变量,Lambda 函数实际存储的应该是这些变量在
创建这个 Lambda 函数的函数的栈指针,而不是 Lambda 函数本身栈变量的引用。不管怎样,因为大多数 Lambda 函数都
很小且在局部作用中,与候选的内联函数很类似,所以按引用捕获的那些变量不需要额外的存储空间。

如果一个闭包含有局部变量的引用,在超出创建它的作用域之外的地方被使用的话,这种行为是未定义的!

Lambda 函数是一个依赖于实现的函数对象类型,这个类型的名字只有编译器知道. 如果用户想把 lambda 函数做为一个参数来
传递, 那么形参的类型必须是模板类型或者必须能创建一个 std::function 类似的对象去捕获 lambda 函数.使用 auto 关键字
可以帮助存储 lambda 函数,

auto my_lambda_func = [&](int x) { /* ... */ };
auto my_onheap_lambda_func = new auto([=](int x) { /* ... */ });

这里有一个例子, 把匿名函数存储在变量、数组或 vector 中,并把它们当做命名参数来传递

一个没有指定任何捕获的 lambda 函数,可以显式转换成一个具有相同声明形式函数指针.所以,像下面这样做是合法的:

auto a_lambda_func = [](int x) { /* ... */ };
void (*func_ptr)(int) = a_lambda_func;
func_ptr(4); // calls the lambda

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