【C++】—— c++11新特性之 lambda

简介: 【C++】—— c++11新特性之 lambda

前言:

  • 上期,我们学习了有关 C++11 一些属于了解的新特性介绍。本期,我们要讲到的内容则属于 需要掌握 的知识点之一。



(一)lambda 的引入

在C++98中,如果想要对一个数据集合中的元素进行排序,可以使用std::sort方法

int main()
{
  int array[] = { 4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 };
  // 默认按照小于比较,排出来结果是升序
  sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
  for (auto e : array)
  {
    cout << e << " ";
  }
  return 0;
}

输出展示:

 

此时如果我们需要进行降序排序的话,此时则需要改变元素的比较规则:

int main()
{
  int array[] = { 4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 };
  // 如果需要降序,需要改变元素的比较规则
  sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), greater<int>());
  for (auto e : array)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

输出展示:


 

如果待排序元素为自定义类型,需要用户定义排序时的比较规则

struct Goods
{
  string _name; // 名字
  double _price; // 价格
  int _evaluate; // 评价
  Goods(const char* str, double price, int evaluate)
    :_name(str)
    , _price(price)
    , _evaluate(evaluate)
  {}
};
struct ComparePriceLess
{
  bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
  {
    return gl._price < gr._price;
  }
};
struct ComparePriceGreater
{
  bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
  {
    return gl._price > gr._price;
  }
};

【解释说明】

  1. ComparePriceLess 结构体是一个函数对象类,重载了小于运算符的 () 操作符,用于比较两个 Goods 对象的价格大小。在 operator() 函数中,它将左边的 Goods 对象的价格与右边的 Goods 对象的价格进行比较,并返回结果。
  2. ComparePriceGreater 同样是一个函数对象类,重载了大于运算符的 () 操作符,用于比较两个 Goods 对象的价格大小。在 operator() 函数中,它将左边的 Goods 对象的价格与右边的 Goods 对象的价格进行比较,并返回结果。

输出展示:

 

【小结】

  • 随着C++语法的发展,人们开始觉得上面的写法太复杂了,每次为了实现一个algorithm算法,都要重新去写一个类,如果每次比较的逻辑不一样,还要去实现多个类,特别是相同类的命名,这些都给编程者带来了极大的不便。因此,在C++11语法中出现了Lambda表达式

(二) lambda表达式

要使用 lambda 表达式对 vector<Goods> v 进行排序,可以使用 std::sort() 算法,并将 lambda 表达式作为比较函数传递给该函数。

因此上诉代码逻辑就可以变为下面这样:

struct Goods
{
    std::string _name; // 名字
    double _price; // 价格
    int _evaluate; // 评价
    Goods(const char* str, double price, int evaluate)
        :_name(str)
        , _price(price)
        , _evaluate(evaluate)
    {}
};
int main()
{
    vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2, 3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
    // 使用 lambda 表达式按价格升序排序
    sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& gl, const Goods& gr) 
    {
        return gl._price < gr._price;
    });
    // 输出排序后的结果
    for (auto e : v) 
    {
    cout << "商品名称: " << e._name << ", 价格: " 
             << e._price << ", 评价: " << e._evaluate << endl;
    }
    return 0;
}

输出展示:

 

上述代码就是使用C++11中的lambda表达式来解决,可以看出lambda表达式实际是一个匿名函

 

1、lambda表达式语法

lambda 匿名函数很简单,可以套用如下的语法格式:

[外部变量访问方式说明符] (参数) mutable noexcept/throw() -> 返回值类型
{
       函数体;
};

其中各部分的含义分别为:

 

a. [外部变量方位方式说明符(捕捉列表)]

  • [ ] 方括号用于向编译器表明当前是一个 lambda 表达式,其不能被省略。在方括号内部,可以注明当前 lambda 函数的函数体中可以使用哪些“外部变量”。

所谓外部变量,指的是和当前 lambda 表达式位于同一作用域内的所有局部变量。

 

b. (参数)

  • 和普通函数的定义一样,lambda 匿名函数也可以接收外部传递的多个参数。和普通函数不同的是,如果不需要传递参数,可以连同 () 小括号一起省略

c. mutable

  • 此关键字可以省略,如果使用则之前的 () 小括号将不能省略(参数个数可以为 0)。默认情况下,对于以值传递方式引入的外部变量,不允许在 lambda 表达式内部修改它们的值(可以理解为这部分变量都是 const 常量)。而如果想修改它们,就必须使用 mutable 关键字。

注意:对于以值传递方式引入的外部变量,lambda 表达式修改的是拷贝的那一份,并不会修改真

正的外部变量;

 

d. noexcept/throw()

  • 可以省略,如果使用,在之前的 () 小括号将不能省略(参数个数可以为 0)。默认情况下,lambda函数的函数体中可以抛出任何类型的异常。而标注 noexcept 关键字,则表示函数体内不会抛出任何异常;使用 throw() 可以指定 lambda 函数内部可以抛出的异常类型。

e. -> 返回值类型

  • 指明 lambda 匿名函数的返回值类型。值得一提的是,如果 lambda 函数体内只有一个 return 语句,或者该函数返回 void,则编译器可以自行推断出返回值类型,此情况下可以直接省略"-> 返回值类型"。

f. 函数体

  • 和普通函数一样,lambda 匿名函数包含的内部代码都放置在函数体中。该函数体内除了可以使用指定传递进来的参数之外,还可以使用指定的外部变量以及全局范围内的所有全局变量。

【注意】

  1. 在lambda函数定义中,参数列表和返回值类型都是可选部分,而捕捉列表和函数体可以为空;
  2. 因此C++11中最简单的lambda函数为:[]{}; 该lambda函数不能做任何事情。

接下来带大家仔细研究其相关的知识:

首先,我们先看如下代码:

int main()
{
  auto add = [](int x, int y)->int {return x + y; };
  cout << [](int x, int y)->int {return x + y; }(1, 2) << endl;
  return 0;
}

输出展示:

【解释说明】

这行代码使用 lambda 表达式创建了一个匿名函数对象,并立即调用该函数对象,并将结果输出到标准输出流 cout 中。

[] 表示捕获列表为空,表示在 lambda 表达式中不捕获任何外部变量。

(int x, int y) -> int { return x + y; } 是 lambda 表达式的函数体部分,它接受两个 int 类型的参数 xy,并返回它们的求和结果。

(1, 2) 是传递给 lambda 表达式的实际参数,即调用 lambda 函数时传递给参数 xy 的具体值。

cout << [](int x, int y)->int {return x + y; }(1, 2) << endl; 的执行过程如下:

  1. 匿名 lambda 函数对象被创建。
  2. 匿名 lambda 函数对象被立即调用,传入参数 12
  3. 返回值 3 被输出到标准输出流 cout

以上代码大家是不是看着十分的难受呀!其实,它的真正样子无非就是以下这样的:

 

当然上述的  auto add = [](int x, int y)->int {return x + y; };  还可以写成下述这样:

【小结】

  • 通过上述例子可以看出,lambda表达式实际上可以理解为无名函数,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。

2、捕获列表说明

 

捕捉列表描述了上下文中那些数据可以被lambda使用,以及使用的方式传值还是传引用。

我们以交换两个数的值这个逻辑代码为例给大家说明:

  • [var]:表示值传递方式捕捉变量var

例如以下代码:

int main()
{
  int x = 1,y = 5;
  auto swap = [](int x, int y)
  {
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
  };
  swap(x, y);
  cout << x << " " << y << " " << endl;
  return 0;
}

输出展示:

 

【解释说明】

  1. 需要注意的是 lambda 表达式中的参数 x y 按值传递的副本,对它们的修改不会影响到 main() 函数中的变量x y ;
  2. 因此,在 lambda 表达式中的交换操作并不会影响 main() 函数中的值。

💨 此时,有的小伙伴可能会考虑加入 mutable 这个关键字来进行修饰:

int main()
{
  int x = 1,y = 5;
  //传值捕捉
  auto swap = [](int x, int y) mutable
  {
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
  };
  swap(x, y);
  cout << x << " " << y << " " << endl;
  return 0;
}

结果展示:

【解释说明】

在这个 lambda 表达式中,使用了 mutable 关键字来声明其为可变的,以允许在 mutable 函数体内修改按值捕获的变量。

然而,需要注意的是 mutable 表达式中的参数 x y 是按值传递的副本,对它们的修改不会影响到 main() 函数中的变量 x y

在 lambda 表达式中使用 mutable 关键字的主要目的是允许在 lambda 函数体内修改按值捕获的变量。在这个示例中,lambda 函数体内部的交换操作已经修改了参数  x y 的值,但是这些修改只影响了 lambda 函数内部的副本。

因此,输出结果将仍然是原始值


 

  • [&var]:表示引用传递捕捉变量var

要解决上述问题,可以将 lambda 表达式的参数改为引用,以便修改原始变量的值。以下是修改后的代码示例:

 

除了上述这样的写法之外,我们还可以像下面这样写:

 


  • [=]:表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)

当使用[=]作为lambda表达式的捕获列表时,表示以值传递的方式捕获所有父作用域中的变量(包括this指针)。这意味着lambda表达式内部可以访问这些变量的副本,但对这些变量的修改不会影响到父作用域中的原始变量。

int main() 
{
    int x = 1, y = 5;
    // 使用[=]以值传递方式捕获变量
    auto func = [=]() 
    {
        std::cout << "x: " << x << ", y: " << y << std::endl;
    };
    func();
    return 0;
}

输出展示:

 


  • [&]:表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)

这意味着lambda表达式内部可以通过引用访问和修改这些变量,对其进行的修改将直接影响到父作用域中的原始变量。

下面是一个示例代码,演示了使用[&]进行引用传递方式捕获变量的情况:

int main()
{
  int x = 1,y = 5;
  
  // 使用[&]以引用传递方式捕获变量
  auto func2 = [&]() 
  {
    // 访问和修改捕获的变量
    cout << "x: " << x << ", y: " << y << endl;
    x = 100;  // 修改以引用传递方式捕获的变量
    y = 200;  // 修改以引用传递方式捕获的变量
  };
  func2();
  // 输出修改后的变量值
  cout << "Modified values: x: " << x << ", y: " << y  << endl;
  return 0;
}

输出显示:

【解释说明】

  1. 在这段代码中,使用[&]以引用传递方式捕获了变量  x y 。在lambda函数内部,可以直接访问和修改这两个变量。在调用func2()后,输出了修改前的变量值,然后输出了修改后的变量值,可以看到两个变量的值已经被成功修改。
  2. 需要注意的是,由于使用了引用传递方式捕获变量,对其进行的修改直接影响到了父作用域中的原始变量。因此,在修改后输出的结果中,x的值变为100,y的值变为200。

  • [this]:表示值传递方式捕捉当前的this指针

这意味着lambda表达式内部可以访问当前对象的成员变量和成员函数,并且对其进行读取或调用。由于是值传递方式,lambda函数内部对this指针的修改不会影响到原始对象。

下面是一个示例代码,演示了使用[this]进行值传递方式捕获当前this指针的情况:

class Test 
{
public:
  Test(int a)
    : x(a) 
  {}
  void lambdaExample() 
  {
    // 使用[this]以值传递方式捕获当前的this指针
    auto func3 = [this]() {
      // 访问当前对象的成员变量
      cout << "x: " << x << endl;
      // 调用当前对象的成员函数
      memberFunction();
    };
    func3();  // 调用lambda表达式
  }
  void memberFunction() 
  {
    cout << "This is a member function." << endl;
  }
private:
  int x;
};
int main() 
{
  Test example(1);
  example.lambdaExample();
  return 0;
}

输出展示:

 

【解释说明】

  • 在上述示例中,使用[this]以值传递方式捕获当前的this指针。在lambda中,我们可以访问当前对象的成员变量x,并调用成员函数memberFunction()。由于采用了值传递方式,对this的修改不会影响到原始对象。

【注意】

a. 父作用域指包含lambda函数的语句块

b. 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]:以引用传递的方式捕捉变量a和b,值传递方式捕捉其他所有变量
  • [&,a, this]:值传递方式捕捉变量a和this,引用方式捕捉其他变量

c. 捕捉列表不允许变量重复传递,否则就会导致编译错误。

  • 比如:[=, a]:=已经以值传递方式捕捉了所有变量,捕捉a重复

d. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。

e. lambda表达式之间不能相互赋值,即使看起来类型相同

 

例如有以下代码:

int main()
{
  auto f1 = [] {cout << "hello world!" << endl; };
  auto f2 = [] {cout << "hello world!" << endl; };
  f1 = f2;
  return 0;
}

输出展示:

【解释说明】

  • 每个lambda函数实际上是一个匿名类对象,而不仅仅是一个函数指针;
  • 它们具有自定义的操作符函数,用于使其可像函数一样调用;
  • 由于复制或赋值一个lambda函数会涉及复制或赋值其内部的闭包对象,因此在C++中,lambda函数默认情况下是不可复制或赋值的。

此外允许使用一个lambda表达式拷贝构造一个新的副本

void (*PF)();
int main()
{
  auto f1 = [] {cout << "hello world!" << endl; };
  auto f2 = [] {cout << "hello world!" << endl; };
  // 允许使用一个lambda表达式拷贝构造一个新的副本
  auto f3(f2);
  f3();
  
  return 0;
}

输出展示:

【解释说明】

  1. lambda函数可以被拷贝构造成一个新的副本。当你将一个lambda函数拷贝给另一个变量时,实际上是在创建该lambda函数的一个副本,包括其闭包对象和可调用操作符函数。因此,拷贝构造函数将f2的副本复制给了f3
  2. 需要注意的是:每个lambda函数都是一个独立的实例,它们具有自己的闭包对象和可调用操作符函数。因此,对f3的修改不会影响到f2或其他的lambda函数。

可以将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针

void (*PF)();
int main()
{
  auto f1 = [] {cout << "hello world!" << endl; };
  auto f2 = [] {cout << "hello world!" << endl; };
  
  // 可以将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针
  PF = f2;
  PF();
  return 0;
}

输出展示:

【解释说明】

  1. 将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针。当你将一个lambda函数赋值给函数指针时,实际上是在将lambda函数转换为函数指针类型
  2. 需要注意的是:lambda函数转换为函数指针后,可以通过函数指针来调用lambda函数。函数指针保存了lambda函数的地址,因此可以使用函数指针来调用对应的lambda函数。

(三)函数对象与lambda表达式

首先,给大家看一段代码:

int main()
{
  int x = 1, y = 5;
  auto swap = [](int& x,int& y)
  {
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
  };
  cout << sizeof(swap) << endl;
  return 0;
}

输出展示:

 

【解释说明】

  1. 在上述代码中,使用 Lambda 表达式定义了名为 swap 的匿名函数,并将其赋值给 swap 类型的变量。
  2. 输出 sizeof(swap) 会显示结果为 1。这是因为 Lambda 表达式在编译时会被转化为一个匿名类型的函数对象,而 sizeof 运算符用于获取该函数对象的大小(以字节为单位)。
  3. 由于 Lambda 表达式在编译时生成一个独立的类型,这个类型的大小由编译器决定,并不依赖于 Lambda 表达式内部的代码或捕获的变量。因此,无论 Lambda 表达式内部的代码有多长或复杂,sizeof(swap) 的结果都是 1。
  4. 注意,sizeof运算符返回的是对象的大小,而不是函数体内部的实际代码大小。

接下来,我们一起来看看 lamdba 的底层逻辑帮助大家更好的理解上述:

class Rate
{
public:
  Rate(double rate) : _rate(rate)
  {}
  double operator()(double money, int year)
  {
    return money * _rate * year;
  }
private:
  double _rate;
};
int main()
{
  // 函数对象
  double rate = 0.49;
  Rate r1(rate);
  r1(10000, 2);
  // lamber
  auto r2 = [=](double monty, int year)->double 
  {
    return monty * rate * year;
  };
  r2(10000, 2);
  return 0;
  return 0;
}

【说明】

  1. 其实大家需要明白,在编译器看来压根就没有什么 lambda,lambda会被编译器进行处理,处理成仿函数
  2. 因此在编译器的角度只有仿函数,编译器是根据你生成的仿函数,生成了一个类,这个类是一个仿函数的类

从使用方式上来看,函数对象与lambda表达式完全一样。

函数对象将rate作为其成员变量,在定义对象时给出初始值即可,lambda表达式通过捕获列表可

以直接将该变量捕获到。

实际在底层编译器对于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:

  • 如果定义了一个lambda表达式,编译器会自动生成一个类,在该类中重载了operator()。

总结

以上便是关于 lamdba 的介绍了。对于本期内容,在面试中属于考察对象,因此大家需要进行掌握。

 

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