C++11 ——— lambda表达式

lambda表达式

lambda表达式概念

lambda表达式是一个匿名函数，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。

举个例子

商品类Goods的定义如下：

struct Goods
{
	string _name;  //名字
	double _price; //价格
	int _num;      //数量
};
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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。

• 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。
• 要控制sort函数的比较方式常见的有两种方法，一种是对商品类的的()运算符进行重载，另一种是通过仿函数来指定比较的方式。
• 显然通过重载商品类的()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。

所以这里选择传入仿函数来指定排序时的比较方式。比如：

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;
}
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仿函数确实能够解决这里的问题，但可能仿函数的定义位置可能和使用仿函数的地方隔得比较远，这就要求仿函数的命名必须要通俗易懂，否则会降低代码的可读性。

对于这种场景就比较适合使用lambda表达式。比如：

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(), [](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;
}
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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。

lambda表达式语法

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

lambda表达式各部分说明

• [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）。
• ->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。
• {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函数如下：

int main()
{
	[]{}; //最简单的lambda表达式
	return 0;
}
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该lambda函数不能做任何事情。

捕获列表说明

捕获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。

• [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。

说明一下：

• 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]。
• 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。
• 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。
• 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。

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，注意需要以引用的方式传递。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [](int& x, int& y)->void
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	Swap(a, b); //交换a和b
	return 0;
}
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说明一下：

• 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。

利用捕捉列表进行捕捉

以引用的方式捕捉所有父作用域中的变量，省略参数列表和返回值类型。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap = [&]
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	Swap(); //交换a和b
	return 0;
}
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这样一来，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。比如：

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;
}
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说明一下： 实际当我们以[&]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。

传值方式捕捉？

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，如果要取消其常量性，就需要在lambda表达式中加上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;
}
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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。

lambda表达式底层原理

lambda表达式的底层原理

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。

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。然后我们编写了一个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。比如：

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
	{
		return base + num;
	};
	add2(1000);
	return 0;
}
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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，会调用Add类的()运算符重载函数。

如下图：

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，会调用类的构造函数。
• 在使用add2对象时，会调用类的()运算符重载函数。

如下图：

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。

lambda表达式之间不能相互赋值

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。

• 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。
• 类名中的uuid叫做通用唯一识别码（Universally Unique Identifier），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，我们可以通过typeid(变量名).name()的方式来获取lambda表达式的类型。比如：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto Swap1 = [](int& x, int& y)->void
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	auto Swap2 = [](int& x, int& y)->void
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	cout << typeid(Swap1).name() << endl; //class 
	cout << typeid(Swap2).name() << endl; //class 
	return 0;
}
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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，这里只是以VS为例。