C/C++编程：lamba表达式

超、凢脫俗 2022-05-20 02:13 204阅读 0赞

# 泛型算法中的定制操作 #

很多算法都会比较输入序列中的元素，通过定制比较动作，可以控制算法按照编程者的意图工作。比如string类型中缺省排序如下：

#include <iostream>
    #include <vector>
    #include <algorithm>
    
    using namespace std;
    int main()
    {
        vector<string> v{"This","is", "a", "predicate", ".", "b", "c"};
        sort(v.begin(), v.end());
        for(const auto& s:v){
            cout << s << "\t";
        }
        return 0;
    }

代码的输出如下：

![20210323191658707.png][]

缺省动作是按照字母顺序排序的

## 谓词 ##

假设有一个需求，希望按照字符串长度从小到大排序。可以先定义一个比较函数

bool compare(const string& s1, const string& s2){
        return s1.size() < s2.size();
    }

然后将这个函数传递给sort算法即可

sort(v.begin(), v.end(), compare);
        for(const auto& s:v){
            cout << s << "\t";
        }

代码的输出如下：

![20210323191917375.png][]

这种作为参数传递给sort算法的函数可以看作一个动作，它有一个名称：**谓词**

## **lambda表达式** ##

前面的例子中，定义了一个函数传递给sort算法。这个函数可以重复使用还好，如果只是使用一次就比较麻烦。这种情况下可以使用C++22提供的新特性：lamba表达式：

sort(v.begin(), v.end(),
        [](const string& s1, const string& s2){
                    return s1.size() > s2.size();
            });
        for(auto s:v){
            cout << s << "\t";
        }

和使用谓词的情况比较可以看到：

1.  没有定义函数（没有函数名）。
2.  依然定义了动作，参数。

这种没有定义函数的指定动作（谓词）的方式就是lamba表达式

# **lamba表达式是可调用对象** #

## **可调用对象** ##

对于一个表达式e，如果可以编写代码以e(args)的形式执行它，就可以说e是可调用的。

例如下面的函数：

int add(int a, int b);

可以这样编写代码：

int ret = add(1, 2);

按照前面提到的原则，就可以说add是可调用的。到C++98为止，可调用对象有函数，函数指针，函数对象等。

## lamda表达式 ##

C++11之后引入的lambda表达式也是一种可调用对象，其标准形式如下：

[capture list] (parameter list) mutable -> return type {function body}

*  capture list，称作捕捉列表。捕捉列表总是出现在lambda函数的开始处。事实上，\[\]是lambda的引出符。编译器根据该引出符判断接下来的代码是否是lamda函数。捕捉列表能够捕捉上下文中的变量以供lambda函数使用
 *  parameter list：表示参数列表，和普通函数一样。如果不需要参数传递，可以和（）一起省略
 *  mutable ：默认情况下，lambda函数是一个const函数，mutable可以取消其常量性。在使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使参数为空）
 *  \->returne type：普通函数一样，表示返回值类型。不需要返回值的时候，可以连同->一起省略。在返回值明确的情况下，让编译器对返回类型进行推导
 *  \{function body\}：函数体。内容与普通函数一样。不过除了可以使用参数之外，还可以使用所有捕获的变量

int main(){
    
        []{}; // 最简单的lamda函数
        int a = 3;
        int b = 4;
        [=] {return a + b;}  // 省略了参数列表和返回类型，返回类型由编译器推导为int
        auto func() = [&](int c) {b = a + c;} //省略了返回类型，无返回值
        auto func2() = [=, &b](int c) ->int{return b = a + c2}; // 各部分都很完整的lambda函数
    }

例如可以这样使用lambda表达式：

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

可以把lambda表达式通过变量传递，像函数一样调用。当然也可以这样：

int result = [](int a, int b){return a*b;}(2, 3);
    cout << result << endl;

可以看到\[\](int a, int b)\{return a\*b;\}这个表达式可以以e\{args\}的方式被调用，也就是说，这是一个可调用对象。

# 捕捉列表 #

只管的讲，lamdba函数与普通函数可见的最大区别之一，就是lambda函数可以通过捕捉列表访问上下文中的数据。具体的，捕捉列表描述了上下文中哪些数据可以被lambda使用，以及使用方式（以值传递或者引用传递）。

int main(){
    
        int boys = 4, girls = 3;
        auto totalChild = [girls, &bodys]() -> int{ return girls + boys; };
        return totalChild ;
    }

上面的boys和girls可以视为lambda函数的一种初始状态，lambda函数的运算则是基于初始状态进行的计算。这与函数简单基于参数的运行是不一样的。

语法上，捕捉列表由多个捕捉项组成，以,分割。捕捉列表有如下几种形式：

*  \[var\]表示值传递方式捕捉变量var
 *  \[=\]表示值传递方式捕捉所有父作用域的变量（包括this）
 *  \[&var\]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的变量（包括this）
 *  \[this\]表示以值传递方式捕捉当前this指针

父作用域：这里指的是包含lamda函数的语句块

通过一些组合，捕获列表可以表达式更复杂的意思，比如：

*  \[=, &a, &b\]表示以引用方式捕捉变量a和b，值传递方式捕捉其他所有变量
 *  \[&, a, this\]表示以值传递方式捕捉变量a和this，引用传递方式捕捉其他所有变量

不过，值得注意的是，捕捉列表不允许重复传递，否则会导致编译器错误，比如：

*  \[=, a\]：这里=已经以值传递方式捕捉了所有变量，捕捉a重复
 *  \[&, &this\]：这里已经以引用方式捕捉了所有变量，再捕捉this也是一种重复

int main(){
    
        int boys = 4, girls = 3;
        auto totalChild = [=]()->int{return boys + girls}; // =捕捉所有父作用域的变量
        return totalChild
    }

## **函数对象** ##

考虑下面的代码

bool istarget(const string& s){
        return s.size() < 2;
    }
    vector<string> v{"This","is", "a", "predicate", "."};
    auto found = find_if(v.begin(), v.end(), istarget);
    cout << *found << endl;

使用find\_if算法从给定的vector中找到第一个长度小于2的对象

如果我们希望在istarget中选择string时使用变量而不是固定的2的时候，一般的函数就不能满足需求了（虽然使用全局变量算是一个选项）。这时的一个选择就是函数对象。

实现定义一个重载()运算符的IsTarget类

class IsTarget{
        unsigned int max;
    public:
        IsTarget(int m_max):max(m_max){}
        bool operator()(const string s){
            return s.size() < max;
        }
    };

IsTarget类可以像下面这样使用：

string test("H");
    IsTarget it(2);
    cout << it(test) << endl;

注意it(test)的部分，从代码的形式来看，这个类的对象可以以e(args)的形式编码并执行，因此它也是可执行对象。长度信息是在创建对象it时指定，在()运算符被执行是使用。在回到find\_if的例子，可以这样使用IsTarget类：

vector<string> v{"This","is", "a", "predicate", "."};
    auto found = find_if(v.begin(), v.end(), IsTarget(2));
    cout << *found << endl;

在执行find\_if时，比较的长度信息作为参数传递给IsTarget类，以便在执行选择操作时使用。

## **使用捕获列表** ##

使用函数对象还是有些麻烦，继续请出lambda表达式，它有一个被\[ \]包围的捕获列表，用于捕获lambda表达式所在函数的局部变量：

vector<string> v{"This","is", "a", "predicate", "."};
    unsigned int max = 2;
    auto found = find_if(v.begin(), v.end(),
              [max](const string& s){return s.size() < max;});

max是在find\_if执行的函数里定义的变量，将其包含在lambda表达式的捕获列表\[ \]中以后，就可以在lambda表达式中使用它了。

### 值捕获 ###

先看如下代码：

int factor = 2;
    auto multiply = [factor](int value)
                    {return factor * value;};
    factor = 4;
    cout << multiply(2) << endl;

代码中首先为factor赋值2，创建lambda表达式以后，再次赋值4。由于lambda表达式的捕获是在该表达式创建是进行的，而第二次赋值在lambda表达式创建之后，所以muliply(2)的执行结果为4。

### 引用捕获 ###

还是这段代码，只要在捕获列表中变量的前面多了一个&，就变成了引用捕获。

int factor = 2;
    auto multiply = [&factor](int value)
                    {return factor * value;};
    factor = 4;
    cout << multiply(2) << endl;

捕获的时机并没有变化，只是捕获的是factor的引用而不是factor的值，所以定义lambda之后，对factor再次赋值4依然会影响multiply(2)的结果。此时的输出为8。

前面例子中使用捕获列表时，具体指定了变量名，属于显示捕获。另外还有隐式捕获，由lambda表达式推断需要捕获的变量。具体方法是：

*  当需要隐式值捕获时，使用\[=\];
 *  当需要隐式引用捕获时，使用\[&\];

### 可变lambda ###

假设有如下vector，保存的内容是学生的考试成绩：

vector<int> score{45, 70, 56, 86, 28, 60, 90};

可以用以下代码来寻找第一个及格成绩：

find_if(score.begin(), score.end(), 
            [](int v){return (v >=60);});

如果需要找到第n个及格成绩，很自然地会考虑使用下面的代码：

int counter = 2;
    find_if(score.begin(), score.end(), 
            [counter](int v){
               return (v >=60)&&(--counter == 0);
            });

但 是很遗憾，这时会出现编译错误，告诉你counter是只读的。其原因是因为在lambda表达式中很少有需要修改捕获值的场景，因此默认捕获值具有 const属性。如果出现本例这样，确实希望修改捕获值的情况，C++11使用mutable关键字来解决这个问题。来看完整代码：

int counter = 2;
    auto iter find_if(score.begin(), score.end(),
            [counter](int v)mutable{
               return (v >=60)&&(--counter == 0);
            });
    cout << *iter << endl;

当然了，由于是值捕获，处于lambda表达式外面的counter值依然不会改变。

如果希望连外面的counter一起修改，使用引用捕获即可。

# lamba表达式 #

## **为什么是lambda？** ##

首先这个lambda就是罗马字母λ，lambda表达式即λ表达式。数学上有一个概念叫λ演算，其中的一个内容就是λ表达式。

考虑普通的数学函数表示方法：

f(x) = 2x + 1

按照λ表达式的规则，可以写成：

λx.(2x+1)

这个表达式可以读成“对于参数x，2x+1。这里的Lambda，λ，仅仅表达的是数学中"函数"的概念。

各种编程语言，也引入了λ（lambda）表达式。例如：

C#语言：(x) =>{ return 2x+1; }
    Java语言：(x) ->{ return 2x+1; }

C++11中也同样引入了lambada表达式，

[](int x)->int{ return 2 * x + 1;}

对于程序员来讲，**lambda表达式提供了一种实现无名函数的方法**。

## 无名的烦恼 ##

lambda表达式不需要定义函数（名）,在大多数场景下，这是一种便利，但也会带来一些烦恼，例如递归调用。因为没有函数名，如何调用自己就成了一个问题。

当然了，这个问题是可以解决的。这里以阶乘为例进行说明，直接上代码：

function<int(int)> factorial =
            [&](int n){
               if(n < 2) return 1;
               return n * factorial(n - 1);
            };
    cout << factorial(3) << endl;

lambda表达式的递归调用有几个要点：

1.  使用标准库中的function模版类型定义表达式类型，其中模范参数与lambda表达式的返回值，参数一致。
2.  使用引用捕获来获得factorial的使用权。
3.  调用factorial实现递归调用。

总结：可以认为lambda表达式取得信息有两种方式，或者说两个时机：一个是参数列表，其内容是在表达式被调用时决定；另一个捕获列表，其内容是在是表达式被创建的时候决定

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