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1.6.1 lambda表达式的概念和基本用法
2015-07-07 14:41:12     我来说两句      
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lambda表达式定义了一个匿名函数,并且可以捕获一定范围内的变量。lambda表达式的语法形式可简单归纳如下:

[ capture ] ( params ) opt -> ret { body; };

其中:

capture是捕获列表;params是参数表;opt是函数选项;ret是返回值类型;body是函数体。

因此,一个完整的lambda表达式看起来像这样:

auto f = [](int a) -> int { return a + 1; };
std::cout << f(1) << std::endl;  // 输出: 2

可以看到,上面通过一行代码定义了一个小小的功能闭包,用来将输入加1并返回。

在C++11中,lambda表达式的返回值是通过前面介绍的返回值后置语法来定义的。其实很多时候,lambda表达式的返回值是非常明显的,比如上例。因此,C++11中允许省略lambda表达式的返回值定义:

auto f = [](int a){ return a + 1; };

这样编译器就会根据return语句自动推导出返回值类型。

需要注意的是,初始化列表不能用于返回值的自动推导:

auto x1 = [](int i){ return i; }; // OK: return type is int
auto x2 = [](){ return { 1, 2 }; }; // error: 无法推导出返回值类型

这时我们需要显式给出具体的返回值类型。

另外,lambda表达式在没有参数列表时,参数列表是可以省略的。因此像下面的写法都是正确的:

auto f1 = [](){ return 1; };
auto f2 = []{ return 1; };  // 省略空参数表

lambda表达式可以通过捕获列表捕获一定范围内的变量:

[]不捕获任何变量。

[&]捕获外部作用域中所有变量,并作为引用在函数体中使用(按引用捕获)。

[=]捕获外部作用域中所有变量,并作为副本在函数体中使用(按值捕获)。

[=, &foo]按值捕获外部作用域中所有变量,并按引用捕获foo变量。

[bar]按值捕获bar变量,同时不捕获其他变量。

[this]捕获当前类中的this指针,让lambda表达式拥有和当前类成员函数同样的访问权限。如果已经使用了&或者=,就默认添加此选项。捕获this的目的是可以在lamda中使用当前类的成员函数和成员变量。

下面看一下它的具体用法,如代码清单1-23所示。

代码清单1-23 lambda表达式的基本用法

class A
{
public:
   int i_ = 0;

   void func(int x, int y)
   {
      auto x1 = []{ return i_; };  // error,没有捕获外部变量
      auto x2 = [=]{ return i_ + x + y; }; // OK,捕获所有外部变量
      auto x3 = [&]{ return i_ + x + y; }; // OK,捕获所有外部变量
      auto x4 = [this]{ return i_; };  // OK,捕获this指针
      auto x5 = [this]{ return i_ + x + y; }; // error,没有捕获x、y
      auto x6 = [this, x, y]{ return i_ + x + y; }; // OK,捕获this指针、x、y
      auto x7 = [this]{ return i_++; };  // OK,捕获this指针,并修改成员的值
   }
};

int a = 0, b = 1;
auto f1 = []{ return a; };        // error,没有捕获外部变量
auto f2 = [&]{ return a++; };      // OK,捕获所有外部变量,并对a执行自加运算
auto f3 = [=]{ return a; };       // OK,捕获所有外部变量,并返回a
auto f4 = [=]{ return a++; };      // error,a是以复制方式捕获的,无法修改
auto f5 = [a]{ return a + b; };     // error,没有捕获变量b
auto f6 = [a, &b]{ return a + (b++); };// OK,捕获a和b的引用,并对b做自加运算
auto f7 = [=, &b]{ return a + (b++); };// OK,捕获所有外部变量和b的引用,并对b做自加运算

从上例中可以看到,lambda表达式的捕获列表精细地控制了lambda表达式能够访问的外部变量,以及如何访问这些变量。

需要注意的是,默认状态下lambda表达式无法修改通过复制方式捕获的外部变量。如果希望修改这些变量的话,我们需要使用引用方式进行捕获。

一个容易出错的细节是关于lambda表达式的延迟调用的:

int a = 0;
auto f = [=]{ return a; };     // 按值捕获外部变量

a += 1;        // a被修改了

std::cout << f() << std::endl;     // 输出?

在这个例子中,lambda表达式按值捕获了所有外部变量。在捕获的一瞬间,a的值就已经被复制到f中了。之后a被修改,但此时f中存储的a仍然还是捕获时的值,因此,最终输出结果是0。

如果希望lambda表达式在调用时能够即时访问外部变量,我们应当使用引用方式捕获。

从上面的例子中我们知道,按值捕获得到的外部变量值是在lambda表达式定义时的值。此时所有外部变量均被复制了一份存储在lambda表达式变量中。此时虽然修改lambda表达式中的这些外部变量并不会真正影响到外部,我们却仍然无法修改它们。

那么如果希望去修改按值捕获的外部变量应当怎么办呢?这时,需要显式指明lambda表达式为mutable:

int a = 0;
auto f1 = [=]{ return a++; };            // error, 修改按值捕获的外部变量
auto f2 = [=]() mutable { return a++; }; // OK, mutable

需要注意的一点是,被mutable修饰的lambda表达式就算没有参数也要写明参数列表。

最后,介绍一下lambda表达式的类型。

lambda表达式的类型在C++11中被称为“闭包类型(Closure Type)”。它是一个特殊的,匿名的非nunion的类类型。

因此,我们可以认为它是一个带有operator()的类,即仿函数。因此,我们可以使用std::function和std::bind来存储和操作lambda表达式:

std::function<int(int)>  f1 = [](int a){ return a; };

std::function<int(void)> f2 = std::bind([](int a){ return a; },
123);

另外,对于没有捕获任何变量的lambda表达式,还可以被转换成一个普通的函数指针:

using func_t = int(*)(int);
func_t f = [](int a){ return a; };
f(123);

lambda表达式可以说是就地定义仿函数闭包的“语法糖”。它的捕获列表捕获住的任何外部变量,最终均会变为闭包类型的成员变量。而一个使用了成员变量的类的operator(),如果能直接被转换为普通的函数指针,那么lambda表达式本身的this指针就丢失掉了。而没有捕获任何外部变量的lambda表达式则不存在这个问题。

这里也可以很自然地解释为何按值捕获无法修改捕获的外部变量。因为按照C++标准,lambda表达式的operator()默认是const的。一个const成员函数是无法修改成员变量的值的。而mutable的作用,就在于取消operator()的const。

需要注意的是,没有捕获变量的lambda表达式可以直接转换为函数指针,而捕获变量的lambda表达式则不能转换为函数指针。看看下面的代码:

typedef void(*Ptr)(int*);
// 正确,没有状态的lambda(没有捕获)的lambda表达式可以直接转换为函数指针
Ptr p = [](int* p){delete p;};
Ptr p1 = [&](int* p){delete p;};      // 错误,有状态的lambda不能直接转换为函数指针

上面第二行代码能编译通过,而第三行代码不能编译通过,因为第三行的代码捕获了变量,不能直接转换为函数指针。

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