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现代 C++:Lambda 表达式

Lambda 表达式(Lambda Expression)是 C++11 引入的一个“语法糖”,可以方便快捷地创建一个“函数对象”。

从 C++11 开始,C++ 有三种方式可以创建/传递一个可以被调用的对象:

  1. 函数指针
  2. 仿函数(Functor)
  3. Lambda 表达式

函数指针

函数指针是从 C 语言老祖宗继承下来的东西,比较原始,功能也比较弱:

  1. 无法直接捕获当前的一些状态,所有外部状态只能通过参数传递(不考虑在函数内部使用 static 变量)。
  2. 使用函数指针的调用无法 inline(编译期无法确定这个指针会被赋上什么值)。
// 一个指向有两个整型参数,返回值为整型参数的函数指针类型
int (*)(int, int);

// 通常我们用 typedef 来定义函数指针类型的别名方便使用
typedef int (*Plus)(int, int);

// 从 C++11 开始,更推荐使用 using 来定义别名
using Plus = int (*)(int, int);

仿函数

仿函数其实就是让一个类(class/struct)的对象的使用看上去像一个函数,具体实现就是在类中实现 operator()。比如:

class Plus {
 public:
  int operator()(int a, int b) {
    return a + b;
  }   
};

Plus plus; 
std::cout << plus(11, 22) << std::endl;   // 输出 33

相比函数指针,仿函数对象可通过成员变量来捕获/传递一些状态。缺点就是,写起来很麻烦(码字比较多)。

Lambda 表达式

Lambda 表达式在表达能力上和仿函数是等价的。编译器一般也是通过自动生成类似仿函数的代码来实现 Lambda 表达式的。上面的例子,用 Lambda 改写如下:

auto Plus = [](int a, int b) { return a + b; };

一个完整的 Lambda 表达式的组成如下:

[ capture-list ] ( params ) mutable(optional) exception(optional) attribute(optional) -> ret(optional) { body } 
  1. capture-list:捕获列表。前面的例子 auto Plus = [](int a, int b) { return a + b; }; 没有捕获任何变量。
  2. params:和普通函数一样的参数。
  3. mutable:只有这个 Lambda 表达式是 mutable 的才允许修改按值捕获的参数。
  4. exception:异常标识。暂时不必理解。
  5. attribute:属性标识。暂时不必理解。
  6. ret:返回值类型,可以省略,让编译器通过 return 语句自动推导。
  7. body:函数的具体逻辑。

除了捕获列表,Lambda 表达式的其它地方其实和普通的函数基本一样。

Lambda 表达式的捕获,其实就是将局部自动变量保存到 Lambda 表达式内部(Lambda 表达式不能捕获全局变量或 static 变量)。

Lambda 表达式最常用的地方就是和标准库中的算法一起使用。下面我们用一个简单的例子来说明 Lambda 表达式的用法。

假设有一个书本信息的列表,定义如下。我们想要找出其中 title 包含某个关键字(target)的书本的数量,可以通过标准库中的 std::count_if + Lambda 表达式来实现。

struct Book {
    int id; 
    std::string title;
    double price;
};

std::vector<Book> books;

std::string target = "C++";  // 找出其中 title 包含“C++”的书本的数量

Lambda 表达式的最基本的两种捕获方式是:按值捕获(Capture by Value)和按引用捕获(Capture by Reference)。

  • 按值捕获
auto cnt =
    std::count_if(books.begin(), books.end(), [target](const Book& book) {
        return book.title.find(target) != std::string::npos;
    }); 

[target] 表示按值捕获 target。Lambda 表达式内部会保存一份 target 的副本,名字也叫 target。

  • 按引用捕获
auto cnt =
    std::count_if(books.begin(), books.end(), [&target](const Book& book) {
        return book.title.find(target) != std::string::npos;
    }); 

[&target] 表示按引用捕获 target——不会复制多一份副本。

  • 捕获列表初始化(Capture Initializers)

C++ 14 支持 lambda capture initializers。比如:

// 按值捕获 target,但是在 Lambda 内部的变量名叫做 v
auto cnt =
    std::count_if(books.begin(), books.end(), [v = target](const Book& book) {
        return book.title.find(v) != std::string::npos;
    }); 

// 按引用捕获 target,但是在 Lambda 内部的名字叫做 r
auto cnt =
    std::count_if(books.begin(), books.end(), [&r = target](const Book& book) {
        return book.title.find(r) != std::string::npos;
    }); 

Lambda 捕获列表初始化最最最重要的一点是“支持 Capture by Move”。在 C++14 之前,Lambda 是不支持捕获一个 Move-Only 的对象的,比如:

std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(123);
auto callback = [uptr]() {                               // 编译错误,uptr is move-only
    std::cout << *uptr << std::endl;
};  

按引用捕获虽然可以编译通过,但往往是不符合要求的。比如下面的例子,离开作用域之后 uptr 会被析构掉。但是 callback 对象已经被传给另一个线程。

std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(123);
auto callback = [&uptr]() {                               
    std::cout << *uptr << std::endl;
};  
// ... 将 callback 传给另一个线程
// return => uptr delete 掉指向的内存

通过捕获列表初始化,完成 Move-Only 对象的“Capture by Move”。

std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(123);
auto callback = [uptr = std::move(uptr)]() {    // 将 uptr 移动给 Lambda 表达式中的参数
    std::cout << *uptr << std::endl;
};
// ... 将 callback 传给另一个线程
// return => uptr 是 nullptr

通过捕获列表初始化,我们还可以捕获一个指针“Capture by Pointer”。

auto cnt =
    std::count_if(books.begin(), books.end(), [p = &target](const Book& book) {
        return book.title.find(*p) != std::string::npos;
    }); 

[p = &target] 表示捕获 target 的指针,命名为 p。

  • Default Capture

Lambda 表示支持两种 default capture 的模式:

  1. [=] 表示 default capture by value。按值捕获可见范围内的所有局部变量。
  2. [&] 表示 default capture by reference。按引用捕获可见范围内的所有局部变量。

比如:

int a = 1;
std::string s = "hello";
std::vector<int> v;

auto default_capture_by_value = [=]() {
    // 按值捕获了 a、s 和 v
};

auto default_capture_by_reference = [&]() {
    // 按引用捕获了 a、s 和 v
};

不建议直接使用 [&] 或 [=] 捕获所有参数,而是按需显示捕获。

  • 按值捕获的类型是 const 的。
int i = 100;
auto func = [i]() {
    i = 200;  // 编译错误:assignment of read-only variable ‘i’
}; 

如果要修改按值捕获的参数,需要将 Lambda 表达式声明为 mutable 的。

int i = 100;  
auto func = [i]() mutable {
    i = 200; 
}; 
  • 捕获 this 指针 在成员函数中的 Lambda 表达式可以捕获当前对象的 this 指针,让 Lambda 表达式拥有和当前类成员同样的访问权限,可以修改类的成员变量,使用类的成员函数。
class Foo {
 public:
  Foo(const std::string& s, int i) : s_(s), i_(i) {}
  void Print() {
    auto do_print = [this](){
      std::cout << s_ << std::endl;
      std::cout << i_ << std::endl;
    };  
    do_print();
  }
  void Update(const std::string& s, int i) {
    auto do_update = [this, &s, i](){
      s_ = s;
      i_ = i;
    };  
    do_update();
  }
 private:
  std::string s_; 
  int i_; 
};

最后,this 指针只能按值捕获 [this] ,不能按引用捕获 [&this]

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