【C++】C++11 lambda表达式

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前言

C++11引入『 lambda表达式』的原因

lambda表达式的语法

如何调用lambda表达式

捕捉列表

lambda表达式实现swap函数的不同方式

参数传引用

捕捉列表

lambda表达式的底层是仿函数

前言

lambda表达式的引入是为了简化代码，提高代码的可读性，在某种角度上来看，lambda表达式实际上是一个匿名函数。

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C++11引入『 lambda表达式』的原因

在现实案例中，排序往往是复杂类型的排序，比如网购商品，某种商品具有很多种属性，用户可以选择不同的排序策略，比如按照价格、口碑等等。

那么按照以前我们学习过的知识，我们可以实现不同的『仿函数』来达到根据不同属性排序的目的。

但是这样会引发一个问题：代码可读性差。

比如某个程序员他非常professional，他可能会这样命名仿函数：

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());
}

我们可以非常清晰的明白两个仿函数的意义：

ComparePriceLess：按价格升序；
ComparePriceGreater：按价格降序；

但如果这个程序员很不友好，他有可能会这样命名仿函数：

Compare1；
Compare2；

此时你不能通过名字直接了解该仿函数的逻辑，就只能查找源码，当项目比较复杂时，很明显你不希望有这样的工作。

所以lambda表达式诞生了。

虽然你还没有学习lambda表达式，但是以下的代码逻辑你一定能懂：

int main()
{
	vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 300 }, { "香蕉", 3.3, 100 }, { "橙子", 2.2, 1000 }, { "菠萝", 1.5, 1 } };

    //按价格升序排序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price < g2._price; 
	}); 

    //按价格降序排序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price > g2._price;
	}); 

    //按数量升序排序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._num < g2._num;
	}); 

    //按数量降序排序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._num > g2._num;
	}); 

	return 0;
}

也就是说，我们可以清晰地直接看到排序的逻辑，这样在你阅读代码时就不需要查找定义了。

是不是有点像匿名对象的味道，lambda表达式可以看作是一种匿名函数。

lambda表达式的语法

lambda表达式书写格式：[capture-list](parameters)mutable->return-type{statement}

[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）。（博主主观上感觉这个关键字没啥用）
->return-type：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以省略。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，所以这块我们一般不写。
{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。

lambda函数的参数列表和返回值类型都是可选部分，但捕捉列表和函数体是不可省略的，因此简单的lambda函数如下：

int main()
{
	[]{}; //最简单的lambda表达式
    []{ cout << "hello world" << endl; };
	return 0;
}

如何调用lambda表达式

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：

int main()
{
	auto add = [](int a, int b) {return a + b; };
	cout << add(1, 2) << endl;
    return 0;
}

捕捉列表

捕捉列表描述了上下文中哪些数据可以被lambda函数使用，以及使用的方式是传值还是传引用。

其实捕捉列表有点类似于函数传参，捕捉过来的变量是拷贝的临时对象不可修改。

[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（成员函数包括this指针）。
[&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（成员函数包括this指针）。
[this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针。

注意：

父作用域指的是包含lambda函数的语句块。
语法上捕捉列表可由多个捕捉项组成，并以逗号分割。
- 比如[=, &a, &b]：以引用传递的方式捕捉a和b，值传递的方式捕捉其他所有变量。
- 比如[&, a, this]：以值传递方式捕捉变量a和this，引用方式捕捉其他变量。
捕捉列表不允许变量重复传递，否则会导致编译错误。
- 比如[=, a]重复传递了变量a（引用可以）。
在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。
在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中的局部变量，捕捉任何非此作用域或者非局部变量都会导致编译报错。
lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同（后面讲底层为什么）。

lambda表达式实现swap函数的不同方式

参数传引用

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [](int& x, int& y)
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	Swap(a, b); //交换a和b
	return 0;
}

捕捉列表

//方式1
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [&]
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b
	return 0;
}
//方式2
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [&a, &b]
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b
	return 0;
}

注意：实际当我们以[&]或[=]的方式捕获变量时，编译器一般只会对lambda表达式中用到的变量进行捕获，这个具体看编译器的优化。

传值方式捕捉不可行：

如果以传值方式进行捕捉，那么首先编译不会通过，因为传值捕获到的变量默认是不可修改的，所以我们需要利用mutable，并且此时参数列表不可省略。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [a, b]()mutable
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b？
	return 0;
}

但由于这里是传值捕捉，lambda函数中对a和b的修改不会影响外面的a、b变量，与函数的传值传参是一个道理，因此这种方法无法完成两个数的交换。

所以博主主观认为：mutable基本没啥用，一般用不上。

lambda表达式的底层是仿函数

其实这里非常类似范围for，在学习C++11新特性的范围for时，我们可能觉得他非常神奇，但实际上底层还是利用的迭代器。

那这里lambda表达式也看起来非常神奇，但实际上底层就是仿函数。

如果我们定义了一个lambda表达式，那么编译器就会自动生成一个类，在该类中重载了operator()，大家想这是不是就是仿函数的实现啊，只不过是编译器替我们干了。

我们来观察一下：

首先写一个普通的仿函数：

class Rate
{
public:
	Rate(double rate) : _rate(rate)
	{}
	double operator()(double money, int year)
	{
		return money * _rate * year;
	}
private:
	double _rate;
};

然后我们分别调用这个仿函数，以及一个相同功能的lambda表达式：

int main()
{
	// 函数对象(仿函数)
	double rate = 0.49;
	Rate r1(rate);
	r1(10000, 2);

	// lambda
	auto r2 = [=](double monty, int year)->double {return monty * rate * year;};
	r2(10000, 2);
	return 0;
}

进入反汇编观察：

所以我们可以知道：

本质上lambda表达式在底层被转换成了仿函数。

当我们定义一个lambda表达式后，编译器会自动生成一个类，在该类中对()运算符进行重载，实际lambda函数体的实现就是这个仿函数的operator()的实现。
在调用lambda表达式时，参数列表和捕获列表的参数，最终都传递给了仿函数的operator()。

我们发现lambda表达式构造出来的仿函数对象后面加了很长的一段字符串，这段字符串是『 UUID-通用唯一识别码（Universally Unique Identifier）』，目的就是为了防止构造出重名对象。

所以你知道为什么说『虽然lambda表达式看起来类型相同，但是之间不能相互赋值』了么？

因为他们本质上都不是同一个类型。

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap1 = [](int& x, int& y)
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	auto Swap2 = [](int& x, int& y)
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	cout << typeid(Swap1).name() << endl; //class <lambda_730de80e8951d4f1039a1c0cd8e63481>
	cout << typeid(Swap2).name() << endl; //class <lambda_9a1101c5726f53e39147e39ad3b29cda>
	return 0;
}

可以看到，就算是两个一模一样的lambda表达式，它们的类型都是不同的。

如果我们想要进行赋值，可以参考下面的案例：

void (*PF)();
int main()
{
	auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };

	//f1 = f2; // 编译失败--->类型不同

	// 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;
}

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