贯穿 C++ 11 与 C++ 17 的 Lambda 到底是个什么？

本文将详解Lambda函数从定义到学习和使用，涉及一些不为人知的事情，如LIFE-立即调用的函数表达式，Lambda的类型。相信你已经起了兴趣，那就开始阅读吧。作者|Vishal C...

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2812人浏览 · 2019-11-30 17:35:00

CSDN资讯 · 2019-11-30 17:35:00 发布

本文将详解Lambda函数从定义到学习和使用，涉及一些不为人知的事情，如LIFE-立即调用的函数表达式，Lambda的类型。相信你已经起了兴趣，那就开始阅读吧。

作者 | Vishal Chovatiya

译者 | 苏本如，责编 | maozz

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下为译文：

Lambda函数是C++ 11中引入的现代C++的一个直观概念，因此在互联网上可以找到大量的关于Lambda函数的文章。但是仍然有一些不为人知的事情（如LIFE-立即调用的函数表达式，Lambda的类型等等）鲜有人谈论。因此，在这篇文章里，我不仅要向你展示C++中的Lambda函数，同时还要介绍它的内部工作机制，以及Lambda函数的其他方方面面。

这篇文章的标题有点误导人。因为Lambda并不总是转化为函数指针。实际上它是一个表达式（确切地说是唯一的闭包）。为了简单起见，在这篇文章中，我会一直互换使用Lambda函数和Lambda表达式。

什么是Lambda函数？

Lambda函数是简短的代码片段，它：

不值得命名（匿名的、未被命名的、一次性的，等等，无论你怎么称呼它），

也不能重复使用。

换句话说，它只是一种糖衣语法（syntactic sugar）。Lambda函数的语法定义如下：

[ capture list ] (parameters) -> return-type  

{  method definition
}

编译器通常会计算Lambda函数本身的返回类型。因此，我们不需要显式地给它指定一个尾置返回类型，如-> return-type。

但在一些复杂的情况下，编译器无法推断返回类型，这时候我们就需要给它指定一个返回类型。

为什么我们要使用Lambda函数？

C++包含许多有用的通用函数，如std::for_each，它们可以很方便。不幸的是，它们的使用有时也很麻烦，特别是如果你想应用的函子是特定函数的唯一函子的话。以下面的代码为例：

struct print
{
    void operator()(int element)
    {
        cout << element << endl;
    }
};
int main(void)
{
    std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::for_each(v.begin(), v.end(), print());
    return 0;
}

如果你只是在特定的地方使用一次print，那么仅仅为了做一些琐碎的和一次性的事情而编写一个完整的类，就显得有些过犹不及了。

对于上面的这种情形，使用内联代码会更合适，这可以通过Lambda函数来实现，如下所示：

std:for_each(v.begin(), v.end(), [](int element) { cout << element << endl; });

Lambda函数内部是如何工作的？

[&i] ( ) { std::cout << i; }

// is equivalent to

struct anonymous
{
    int &m_i;
    anonymous(int &i) : m_i(i) {}
    inline auto operator()() const
    {
        std::cout << i;
    }
};

编译器为每个Lambda函数生成如上所述的唯一闭包。注意，这是Lambda函数的核心所在。

捕获列表将成为闭包中的构造函数的参数，如果将参数按值捕获，那么相应类型的数据成员将在闭包中创建。

此外，可以在Lambda函数的参数中声明变量/对象，它们将成为调用operator()函数的参数。

使用Lambda函数的好处

零成本抽象。对！你没有看错。Lambda函数不会降低性能，它的性能和普通的函数一样好。

此外，Lambda函数使代码变得更加紧凑、更加结构化和更富有表现力。

学习Lambda表达式

按引用/值来捕获，代码如下：

int main()
{
    int x = 100, y = 200;
    auto print = [&] { // Capturing object by reference
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << " : " << x << " , " << y << std::endl;
    };
    print();
    return 0;
}

上面代码的输出如下：

main()::<Lambda()> : 100 , 200

在上面的例子中，我在捕获列表中对“&”符号作了注释。它表示按引用来捕获变量x和y。类似地，“=”符号表示按值捕获，它将在闭包中创建相同类型的数据成员，并且将执行copy-assignment操作。

请注意，参数列表是可选的，如果你不向Lambda表达式传递任何参数，则可以省略空括号。

Lambda函数的捕获列表

下表显示了捕获列表中不同用法的含义：

将Lambda函数作为参数传递，代码如下：

template <typename Functor>
void f(Functor functor)
{
    std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
}
/* Or alternatively you can use this
void f(std::function<int(int)> functor)
{
    std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
} 
*/
int g() { static int i = 0; return i++; }
int main()
{
    auto Lambda_func = [i = 0]() mutable { return i++; };
    f(Lambda_func); // Pass Lambda
    f(g);           // Pass function
}

上面代码的输出如下:

Function Type : void f(Functor) [with Functor = main()::<Lambda(int)>]
Function Type : void f(Functor) [with Functor = int (*)(int)]

你还可以将Lambda函数作为参数传递给其他函数，就像我在上面编写的普通函数一样。

如果你注意到了，这里我在捕获列表中声明了变量i，它将成为数据成员。因此，每次调用Lambda_func时，它都将返回并递增。

捕获Lambda函数中的成员变量或this指针，代码如下：

class Example
{
public:
    Example() : m_var(10) {}
    void func()
    {
        [=]() { std::cout << m_var << std::endl; }(); // IIFE
    }
private:
    int m_var;
};
int main()
{
    Example e;
    e.func();
}

也可以使用[this], [=] 或者 [&]来捕获This指针。在任何这些情况下，类中的数据成员（包括private类型的数据成员）都可以像在普通方法中那样被访问。

如果你看到Lambda表达式行，我在Lambda函数声明的末尾使用了额外的 ()，这个额外的 ()用来表示在声明之后立即调用它，它被称为IIFE（立即调用的函数表达式）。

C++的Lambda函数类型

泛型Lambda，代码如下：

const auto l = [](auto a, auto b, auto c) {};


// is equivalent to
struct anonymous
{
    template <class T0, class T1, class T2>
    auto operator()(T0 a, T1 b, T2 c) const
    {
    }
};

在C++ 14中引入的泛型Lambda，它可以使用auto标识符捕获参数。

可变泛型Lambda，代码如下：

void print() {}
template <typename First, typename... Rest>
void print(const First &first, Rest &&... args)
{
    std::cout << first << std::endl;
    print(args...);
}
int main()
{
    auto variadic_generic_Lambda = [](auto... param) {
        print(param...);
    };
    variadic_generic_Lambda(1, "lol", 1.1);
}

带可变参数包的Lambda在许多情况下都很有用，如代码调试、不同数据输入的重复操作等。

可变（Mutable）Lambda函数

通常，Lambda函数的call-operator（调用运算符）隐式为const-by-value（常量，按值捕获），这意味着它是不可变的。如果要按值捕获任何内容，需要在Lambda函数体前使用mutable关键字。代码如下所示：

[]() mutable {}


// is equivalent to


struct anonymous
{
    auto operator()()  // call operator
    {
    }
};

我们已经在上面看到了上述情况的一个例子。希望你注意到了。

Lambda作为函数指针，代码如下：

#include <iostream>
#include <type_traits>


int main()
{
    auto funcPtr = +[] {};
    static_assert(std::is_same<decltype(funcPtr), void (*)()>::value);
}

你可以强制编译器生成Lambda作为函数指针，而不是像上面那样在它前面添加+来使之成为闭包。

高阶函数：Lambda可以作为参数和返回值，代码如下：

const auto less_than = [](auto x) {
    return [x](auto y) {
        return y < x;
    };
};


int main(void)
{
    auto less_than_five = less_than(5);
    std::cout << less_than_five(3) << std::endl;
    std::cout << less_than_five(10) << std::endl;
    return 0;
}

再进一步，Lambda函数还可以返回另一个Lambda函数。这将为代码的定制、代码表示性和紧凑性（顺便说一句，没有这样的词）打开无限可能的大门。

constexpr Lambda表达式

从C++ 17开始，Lambda表达式可以被声明为constexpr（常量表达式）。

constexpr auto sum = [](const auto &a, const auto &b) { return a + b; };
/*
    is equivalent to
    constexpr struct anonymous
    {
        template <class T1, class T2>
        constexpr auto operator()(T1 a, T2 b) const
        {
            return a + b;
        }
    };
*/
constexpr int answer = sum(10, 10);

即使你没有指定constexpr关键字，如果函数调用运算符恰好满足所有constexpr函数的要求，那么它也将是constexpr。