【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

数

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 x 和 y，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 x 和 y 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 1 和 2。
   
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 和 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 和 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 和 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 和 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 和 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 和 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。