C++中的Lambda表达式详解

函数对象与Lambdas
你编写代码时，尤其是使用 STL 算法时，可能会使用函数指针和函数对象来解决问题和执行计算。函数指针和函数对象各有利弊。例如，函数指针具有最低的语法开销，但不保持范围内的状态，函数对象可保持状态，但需要类定义的语法开销。
lambda 结合了函数指针和函数对象的优点并避免其缺点。lambda 与函数对象相似的是灵活并且可以保持状态，但不同的是其简洁的语法不需要显式类定义。使用lambda，相比等效的函数对象代码，您可以写出不太复杂并且不容易出错的代码。

一段简单的Code

我也不是文艺的人，对于Lambda的历史，以及Lambda与C++的那段渊源，我也不是很熟悉，技术人，讲究拿代码说事。

代码如下:

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;

    auto func = [=, &b](int c)->int {return b += a + c;};
    return 0;
}

当我第一次看到这段代码时，我直接凌乱了，直接看不懂啊。上面这段代码，如果你看懂了，下面的内容就当时复习了；如果看不懂了，就接着和我一起总结吧。

基本语法

简单来说，Lambda函数也就是一个函数，它的语法定义如下：

代码如下:

[capture](parameters) mutable ->return-type{statement}

1.[capture]：捕捉列表。捕捉列表总是出现在Lambda函数的开始处。实际上，[]是Lambda引出符。编译器根据该引出符判断接下来的代码是否是Lambda函数。捕捉列表能够捕捉上下文中的变量以供Lambda函数使用;

2.(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，则可以连同括号“()”一起省略;

3.mutable：mutable修饰符。默认情况下，Lambda函数总是一个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）;

4.->return-type：返回类型。用追踪返回类型形式声明函数的返回类型。我们可以在不需要返回值的时候也可以连同符号”->”一起省略。此外，在返回类型明确的情况下，也可以省略该部分，让编译器对返回类型进行推导;

5.{statement}：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。

与普通函数最大的区别是，除了可以使用参数以外，Lambda函数还可以通过捕获列表访问一些上下文中的数据。具体地，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（以值传递的方式或引用传递的方式）。语法上，在“[]”包括起来的是捕捉列表，捕捉列表由多个捕捉项组成，并以逗号分隔。捕捉列表有以下几种形式：

1.[var]表示值传递方式捕捉变量var；
2.[=]表示值传递方式捕捉所有父作用域的变量（包括this）；
3.[&var]表示引用传递捕捉变量var；
4.[&]表示引用传递方式捕捉所有父作用域的变量（包括this）；
5.[this]表示值传递方式捕捉当前的this指针。

上面提到了一个父作用域，也就是包含Lambda函数的语句块，说通俗点就是包含Lambda的“{}”代码块。上面的捕捉列表还可以进行组合，例如：

1.[=,&a,&b]表示以引用传递的方式捕捉变量a和b，以值传递方式捕捉其它所有变量;
2.[&,a,this]表示以值传递的方式捕捉变量a和this，引用传递方式捕捉其它所有变量。

不过值得注意的是，捕捉列表不允许变量重复传递。下面一些例子就是典型的重复，会导致编译时期的错误。例如：

3.[=,a]这里已经以值传递方式捕捉了所有变量，但是重复捕捉a了，会报错的;
4.[&,&this]这里&已经以引用传递方式捕捉了所有变量，再捕捉this也是一种重复。

Lambda的使用

对于Lambda的使用，说实话，我没有什么多说的，个人理解，在没有Lambda之前的C++ , 我们也是那样好好的使用，并没有对缺少Lambda的C++有什么抱怨，而现在有了Lambda表达式，只是更多的方便了我们去写代码。不知道大家是否记得C++ STL库中的仿函数对象，仿函数想对于普通函数来说，仿函数可以拥有初始化状态，而这些初始化状态是在声明仿函数对象时，通过参数指定的，一般都是保存在仿函数对象的私有变量中;在C++中，对于要求具有状态的函数，我们一般都是使用仿函数来实现，比如以下代码：

代码如下:

#include<iostream>
using namespace std;

typedef enum
{
    add = 0,
    sub,
    mul,
    divi
}type;

class Calc
{
    public:
        Calc(int x, int y):m_x(x), m_y(y){}

        int operator()(type i)
        {
            switch (i)
            {
                case add:
                    return m_x + m_y;
                case sub:
                    return m_x - m_y;
                case mul:
                    return m_x * m_y;
                case divi:
                    return m_x / m_y;
            }
        }

    private:
        int m_x;
        int m_y;
};

int main()
{
    Calc addObj(10, 20);
    cout<<addObj(add)<<endl; // 发现C++11中，enum类型的使用也变了，更“强”了
    return 0;
}

现在我们有了Lambda这个利器，那是不是可以重写上面的实现呢？看代码：

代码如下:

#include<iostream>
using namespace std;

typedef enum
{
    add = 0,
    sub,
    mul,
    divi
}type;

int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;

    auto func = [=](type i)->int {
        switch (i)
        {
            case add:
                return a + b;
            case sub:
                return a - b;
            case mul:
                return a * b;
            case divi:
                return a / b;
        }
    };

    cout<<func(add)<<endl;
}

显而易见的效果，代码简单了，你也少写了一些代码，也去试一试C++中的Lambda表达式吧。

关于Lambda那些奇葩的东西

看以下一段代码：

代码如下:

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int j = 10;
    auto by_val_lambda = [=]{ return j + 1; };
    auto by_ref_lambda = [&]{ return j + 1; };
    cout<<"by_val_lambda: "<<by_val_lambda()<<endl;
    cout<<"by_ref_lambda: "<<by_ref_lambda()<<endl;

    ++j;
    cout<<"by_val_lambda: "<<by_val_lambda()<<endl;
    cout<<"by_ref_lambda: "<<by_ref_lambda()<<endl;

    return 0;
}

程序输出结果如下：

代码如下:

by_val_lambda: 11
by_ref_lambda: 11
by_val_lambda: 11
by_ref_lambda: 12

你想到了么？？？那这又是为什么呢？为什么第三个输出不是12呢？

在by_val_lambda中，j被视为一个常量，一旦初始化后不会再改变（可以认为之后只是一个跟父作用域中j同名的常量），而在by_ref_lambda中，j仍然在使用父作用域中的值。所以，在使用Lambda函数的时候，如果需要捕捉的值成为Lambda函数的常量，我们通常会使用按值传递的方式捕捉；相反的，如果需要捕捉的值成成为Lambda函数运行时的变量，则应该采用按引用方式进行捕捉。

再来一段更晕的代码：

代码如下:

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int val = 0;
    // auto const_val_lambda = [=](){ val = 3; }; wrong!!!

    auto mutable_val_lambda = [=]() mutable{ val = 3; };
    mutable_val_lambda();
    cout<<val<<endl; // 0

    auto const_ref_lambda = [&]() { val = 4; };
    const_ref_lambda();
    cout<<val<<endl; // 4

    auto mutable_ref_lambda = [&]() mutable{ val = 5; };
    mutable_ref_lambda();
    cout<<val<<endl; // 5

    return 0;
}

这段代码主要是用来理解Lambda表达式中的mutable关键字的。默认情况下，Lambda函数总是一个const函数，mutable可以取消其常量性。按照规定，一个const的成员函数是不能在函数体内修改非静态成员变量的值。例如上面的Lambda表达式可以看成以下仿函数代码：

代码如下:

class const_val_lambda
{
public:
    const_val_lambda(int v) : val(v) {}
    void operator()() const { val = 3; } // 常量成员函数

private:
    int val;
};

对于const的成员函数，修改非静态的成员变量，所以就出错了。而对于引用的传递方式，并不会改变引用本身，而只会改变引用的值，因此就不会报错了。都是一些纠结的规则。慢慢理解吧。

总结

对于Lambda这种东西，有的人用的非常爽，而有的人看着都不爽。仁者见仁，智者见智。不管怎么样，作为程序员的你，都要会的。这篇文章就是用来弥补自己对C++ Lambda表达式的认知不足的过错，以免以后在别人的代码中看到了Lambda，还看不懂这种东西，那就丢大人了。

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