初探C++11之lambda表達式

lambda表達式是函數式編程的基礎。咱對於函數式編程也沒有足夠的理解，因此這里不敢胡言亂語，有興趣的可以自己查找相關資料看下。這里只是介紹C++11中的lambda表達式以及與此相關的閉包(closure)。

 

同樣，這里首先給出參考文檔

http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2009/n2927.pdf

 

其次，給出兩個例子，可以看出lambda表達式的寫法

[](int x, int y) { return x + y; }

[](int x, int y) -> int { int z = x + y; return z + x; }   //表明返回值類型是int型

也就是說，一個lambda表達式很類似於普通的函數定義的寫法，區別在於三點，一是沒有函數名（你也可以認為函數名是[]），二是這個函數沒有普通函數那樣的返回值類型，返回值類型的寫法在第2行，即在參數列表與函數定義之間以箭頭寫明，三是在參數列表之前有一個[] (其實這里還可能有更多的形式，后面會說)

 

第三，lambda表達式的標准形式是什么？

如下。這里先只是列出，后面會詳細解釋。

lambda-expression:
　　lambda-introducer lambda-declarator_opt compound-statement
lambda-introducer:
　　[ lambda-capture_opt ]

lambda-capture:
　　capture-default
　　capture-list
　　capture-default , capture-list
capture-default:
　　&
　　=
capture-list:
　　capture
　　capture-list , capture
capture:
　　identifier
　　& identifier
　　this
lambda-declarator:
　　( parameter-declaration-clause ) attribute-specifier_opt mutable_opt exception-specification_opt trailing-return-type_opt

第四，進一步的分析

上面的標准形式中，最不好理解的可能就是lambda-capture了。其實它對應的就是閉包的概念，而作用是描述外部傳入的參數。

wiki上有一個例子，如下

std::vector<int> someList;
int total = 0;
std::for_each(someList.begin(), someList.end(), [&total](int x) {
  total += x;
});
std::cout << total;

這段代碼做的事情是把someList中的所有變量求和。其中定義的lambda函數如下，

[&total](int x) {total += x;}

與前面的例子不同，這里的lambda-introducer是[&total]而不是之前的[]。這么寫的作用是，在這個lambda函數中以引用方式使用外部變量total，這樣求和結果就可以存放於這個變量中。那么類似的，還可以以傳值方式使用外部變量，寫成[total]就可以，而且，如果需要用到的外部變量較多，可以有簡略的寫法。一個完整的列表如下（來自wiki，這里我把他們翻譯成我們比較習慣的表述形式）

[] // 沒有定義任何變量。使用未定義變量會導致錯誤。
[x, &y] // x 以傳值方式傳入(默認)，y 以引用方式傳入。
[&] // 任何被使用到的外部變量皆隱式地以引用方式加以使用。
[=] // 任何被使用到的外部變量皆隱式地以傳值方式加以使用。
[&, x] // x 顯示地以傳值方式加以使用。其余變量以引用方式加以使用。
[=, &z] // z 顯示地以引用方式加以使用。其余變量以傳值方式加以使用。

第五，代碼練習及驗證

接下來，我們自己寫一些代碼來做一些練習以及驗證一些事情。以下代碼在visual studio 2010下測試通過。

首先是模仿實例寫一些代碼。

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>

void ShowVector(std::vector<int>& vecTest)
{
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [](int x) 
        {
            std::cout<<x<<' ';
        }
    );
    std::cout<<std::endl;
}

int main()
{
    std::vector<int> vecTest(10,1);
    
    ShowVector(vecTest);

    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [](int& x) 
        {
            x += 2;
        }
    );
    
    ShowVector(vecTest);

    int iTotal = 0;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [&iTotal](int x) 
        {
            iTotal += x;
        }
    );
    std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    iTotal = 0;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [&](int x) 
        {
            iTotal += x;
        }
    );
    std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    //iTotal = 0;
    //std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
    //    [=](int x) 
    //    {
    //        iTotal += x; // build error,error C3491: 'iTotal': a by-value capture cannot be modified in a non-mutable lambda
    //    }
    //);
    //std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    //iTotal = 0;
    //std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
    //    [iTotal](int x) 
    //    {
    //        iTotal += x; // build error, error C3491: 'iTotal': a by-value capture cannot be modified in a non-mutable lambda
    //    }
    //);
    //std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    iTotal = 0;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [=, &iTotal](int x) 
        {
            iTotal += x;
        }
    );
    std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    int iAdd = 1;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [=](int& x) 
        {
            x += iAdd;
        }
    );
    ShowVector(vecTest);

    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [iAdd](int& x) 
        {
            x += iAdd;
        }
    );
    ShowVector(vecTest);

    char e = 0;
    scanf_s("%c", &e, 1);
    return 0;
}

運行結果如下，

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

30

30

30
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

這里值得注意的是其中的注釋掉的代碼，這里我們以傳值方式使用外部變量，但是在lambda函數內部卻試圖修改該變量的值，其實這是沒什么作用的，而visual studio直接給出報錯，檢查很仔細，不錯。

 

那么我們再考慮一個問題，lambda表達式的運行效率？我們來試一下。測試機器雙核4G內存。

#include "windows.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>

void ModVal(int& iVal)
{
    iVal *= 3;
}

#define ARRAY_SIZE 10000000
int main()
{
    int m = 0;
    std::vector<int> vecTest(ARRAY_SIZE,0);
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(),
        [&m](int& x)
        {
            x = m++;
        }
    );

    // test1
    //std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(),
    //    [](int& x)
    //    {
    //        x *= 3;
    //    }
    //);
    // test2
    //for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
    //{
    //    vecTest[i] *= 3;
    //}
    // test3
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), ModVal);


    char e = 0;
    scanf_s("%c", &e, 1);
    return 0;
}

分別對以上的test1, test2和test3使用QueryPerformanceFrequency()函數計時，我們可以得到如下的結果，

test1: 26.8ms

test2: 27.6ms

test3: 24.2ms

也就是說，最快的是test3，即不采用lambda表達式，而是直接用函數……多少有點出乎意料。而最慢的是直接用for循環的操作，不過它和用lambda表達式的結果很接近。

 

第六，其他

成員函數內部的lambda函數，lambda函數作為對象。留着后面寫。