lambda表达式

lambda概念

lambda表达式本质是一个匿名函数(因为它没有名字),恰当使用lambda表达式可以让代码变得简洁.并且可以提高代码的可读性

例子:现在要对若干商品分别按照价格和数量进行升序,降序排序

struct Goods
{
	string _name;  //名字
	double _price; //价格
	int _num;      //数量
    Goods(){}
    Goods(string name,double price,int num)
        :_name(name),_price(price),_num(num)
    {}
};

1)要对一个数据集合中的元素进行排序.可以使用sort函数.但由于这里待排序的元素为自定义类型.因此需要用户自行定义排序时的比较规则

2)要控制sort函数的比较方式常见的有两种方法.一种是在类里面对()运算符进行重载.另一种是通过仿函数来指定比较的方式

• 在这里通过重载商品类的()运算符是不可行的.因为这里要求分别按照价格和数量进行升序、降序排序.每次排序就去修改一下比较方式是很笨的做法

3)sort函数的的第三个参数要求传入的是一个可调用对象

• 可调用对象有: 函数指针,仿函数(也称为函数对象,这个类型的对象可以像函数使用), lambda表达式 ,包装器

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所以这里选择传入仿函数来指定排序时的比较方式,

struct ComparePriceLess
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price < g2._price;
	}
};
struct ComparePriceGreater
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price > g2._price;
	}
};
struct CompareNumLess
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._num < g2._num;
	}
};
struct CompareNumGreater
{
	bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._num > g2._num;
	}
};
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 } };
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());    //按价格升序排序
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater()); //按价格降序排序
	sort(v.begin(), v.end(), CompareNumLess());      //按数量升序排序
	sort(v.begin(), v.end(), CompareNumGreater());   //按数量降序排序
	return 0;
}

仿函数确实能够解决这里的问题,但是我们可以提出更简便的方式:使用lambda表达式

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 }};
    //sort里面调用这个可调用对象进行比较
	//auto priceLess = [](const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._price < g2._price; };
	//sort(v.begin(), v.end(), priceLess);
	//简写：
    
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)
	{
		return g1._price < g2._price; //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._num < g2._num;//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
	}); 
	return 0;
}

这样一来.每次调用sort函数时只需要传入一个lambda表达式指明比较方式即可.阅读代码的人一看到lambda表达式就知道本次排序的比较方式是怎样的.提高了代码的可读性.

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lambda表达式的格式

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

​ [ 捕捉列表 ] ( 形参 ) 约束(可选) -> 返回值类型(可选) {函数体}

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lambda表达式各部分说明

1) [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,捕捉列表能够捕捉和lambda表达式同一个作用域的对象(换一种说法就是:能够捕捉上下文中的变量)给lambda函数使用,如果没有变量需要捕捉,那[]里面的内容可以不写

2) (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

3. mutable：默认情况下,lambda函数总是一个const函数,(如果以传值方式方式捕获变量,是不可以修改的),但是可以使用mutable可以取消其常量性, 使用该修饰符时,参数列表不可省略(即使没有参数,而需要带上参数列表)

4)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,所以一般不写返回值

5. {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

• 因此最简单的lambda函数为:[]{}; //最简单的lambda表达式 ,该lambda函数不能做任何事情,注意lamber表达式后面的分号！！！

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关于捕获列表

捕获列表描述了上下文中哪些数据变量可以被lambda函数使用,以及使用的方式是传值还是传引用

• [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（成员函数中包括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 （成员函数中包括this指针）
• [this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针 ,注意:this无法通过引用捕获！

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常见问题:

• 父作用域指的是包含当前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]:表示的是:以值传递方式捕获父作用域中其它变量,以引用传递捕捉变量a和变量b
• 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] [=]已经以值传递方式捕获了a,然后又以传值捕获a,重复了 但是可以[=,&a]
• 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
• 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空.即全局lambda函数的捕捉列表必须为空.

int a = 0, b = 1;
// 在全局中不能捕捉对象,捕捉列表必须为空
//auto func5 = [a, b](){};//报错！
auto func5 = [](){};
int main(){}

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使用lambda表达式交换两个数

如果要用lambda表达式交换两个数.可以有以下几种写法：

标准写法:

参数列表中包含两个形参.表示需要交换的两个数,注意:必须需要以引用的方式传递

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [](int& x, int& y)->void //两个参数为引用类型
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	Swap(a, b); //交换a和b
	return 0;
}

说明:lambda表达式是一个匿名函数.该函数无法直接调用,如果想要直接调用,可借助auto自动推导类型,将其赋值给一个变量,此时这个变量就可以像普通函数一样使用

• lambda表达式的函数体在格式上并不是必须写成一行,如果函数体太长可以进行换行,但换行后不要忘了函数体最后还有一个分号.

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写法2:利用捕捉列表进行捕捉变量

以引用的方式捕捉所有父作用域中的变量,可以省略参数列表和返回值类型

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [&] //以引用方式捕获当前作用域的变量
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b
	return 0;
}

因为此时对变量进行了捕捉,所以调用lambda表达式时就不用传入参数了, 但实际我们只需要用到变量a和变量b.没有必要把父作用域中的所有变量都进行捕捉,因此也可以只对父作用域中的a、b变量进行捕捉

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [&a, &b]{  //以引用方式捕获变量a和b
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b
	return 0;
}

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说明:当我们以[&]或[=]的方式捕获变量时,编译器也不一定会把父作用域中所有的变量捕获进来,编译器可能只会对lambda表达式中用到的变量进行捕获,没有必要把用不到的变量也捕获进来,这个主要看编译器的具体实现

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如果要以传值方式捕捉呢?

以传值方式进行捕捉,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,如果要取消其常量性,就需要在lambda表达式中加上mutable约束,并且此时参数列表不可省略

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
  	//[a,b](){} 这样是传值捕捉a和b,本质就是把a和b拷贝一份过来,并且a和b还是const的
    //以值传递方式捕捉变量a和b, 使用mutable取消lambda的常量性
	auto Swap = [a, b]()mutable  //此时参数列表不可以省略！！
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b？ 不可以！因为是以值传递方式捕获
	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

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练习：实现一个两个数相加的lambda表达式

int main()
{
	auto add1 = [](int a, int b)->int {
		return a + b;
	};
	auto add2 = [](int a, int b) {	// 返回值类型可以省略
		return a + b;
	};

	//如果此时我们想定义一个和add1一样类型的对象:
	//方法1:使用auto推导
	auto add3 = add1;
	//方法2:使用decltype
	decltype(add1) add4 = add1;
    
    //注意:此时add1和add3和add4的类型都是一样的！！！lambda_uuid是一样的
	cout << typeid(add1).name() << endl;
	cout << typeid(add3).name() << endl;
	cout << typeid(add4).name() << endl;
    
	cout << add1(10, 20) << " " << add2(10, 20) << " " 
		<< add3(10, 20) << " " << add3(10, 20) << " " << endl;
	return 0;
}

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lambda表达式底层原理

实际编译器在底层对于lambda表达式的处理方式,完全就是按照函数对象的方式处理的,函数对象就是我们平常所说的仿函数,就是在类中对()运算符进行了重载的类对象,

例如:下面编写了一个Add类,该类对()运算符进行了重载,因此Add类实例化出的add1对象就叫做函数对象,add1可以像函数一样使用,然后我们再编写一个lambda表达式,并借助auto将其赋值给add2对象,这时add1和add2都可以像普通函数一样使用

class Add
{
public:
	Add(int base)
		:_base(base)
	{}
	int operator()(int num)
	{
		return _base + num;
	}
private:
	int _base;
};

int main()
{
	int base = 1;

	//函数对象
	Add add1(base);
	add1(1000);

	//lambda表达式
	auto add2 = [base](int num)->int //以值的方式捕获base,有一个参数,返回值是int
	{
		return base + num;
	};
	add2(1000);
	return 0;
}

调试代码并转到反汇编.可以看到在创建函数对象add1时,会调用Add类的构造函数,在使用函数对象add1时,调用Add类的()运算符重载函数

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观察lambda表达式时.也能看到类似的代码

• 借助auto将lambda表达式赋值给add2对象时.会调用<lambda_uuid>类的构造函数.
• 在使用add2对象时.会调用<lambda_uuid>类的()运算符重载函数.

本质就是因为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()

lambda表达式和范围for是类似的,它们在语法层面上看起来都很神奇,但实际范围for底层就是通过迭代器实现的,lambda表达式底层的处理方式和函数对象是一样的

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为什么lambda表达式之间不能相互赋值

就算是两个一模一样的lambda表达式,二者之间不能相互赋值,

• 因为lambda表达式底层的处理方式和仿函数是一样的,在VS下,lambda表达式在底层会被处理为函数对象,该函数对象对应的类名叫做<lambda_uuid>,
• 类名中的uuid叫做通用唯一识别码,简单来说,uuid就是通过算法生成一串字符串,保证在当前程序当中每次生成的uuid都不会重复
• lambda表达式底层的类名包含uuid,这样就能保证每个lambda表达式底层类名都是唯一的

因此每个lambda表达式的类型都是不同的,这也就是lambda表达式之间不能相互赋值的原因,

验证:我们可以通过typeid(变量名),name()的方式来输出lambda表达式的类型,

int main()
{
	int a = 10, b = 20;

	auto swap1 = [&]() {
		swap(a, b);
	};
	swap1();

	auto swap2 = [&]() {
		swap(a, b);
	};
	swap2();
	cout << typeid(swap1).name() << endl;
	cout << typeid(swap2).name() << endl;
	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

说明一下： 编译器只需要保证每个lambda表达式底层对应类的类名不同即可,并不是每个编译器都会将lambda表达式底层对应类的类名处理成<lambda_uuid>,这里只是以VS为例

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