C++11--lambda表达式

目录

 lambda表达式概念

lambda表达式的语法

lambda表达式交换两个数

lambda表达式底层原理

---

 lambda表达式概念

lambda表达式时一个匿名函数,恰当使用lambda表达式可以让代码变得简洁,并且可以提高代码的可读性.

如下 

商品类Goods的定义如下:

struct Goods
{string _name; //名字double _price;//价格int  _num;//数量
};

 现在要对若干商品分别按照价格和数量进行升序,降序排序.

• 要对一个数据集合中的元素进行排序,可以使用sort函数,但由于这里待排序的元素是自定义类型,因此需要用户自行定义排序是的比较规则.
• 要控制sort函数的比较方式常见的方法有两种,一种是对商品类的()运算符进行重载,另一种是通过防函数来指定比较方式.
• 显然通过重载商品类的()运算符是不可行的,因为这里要求分别要求按价格和数量进行升序,降序排序,每次排序就去修改一下比较方式是很笨的做法.

所以这里选择传入防函数来指定排序时的比较方式.比如:

struct Goods
{string _name; //名字double _price;//价格int  _num;//数量
};
struct ComparePriceLess
{bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._price < g2._price;}
};
struct ComparePriceGreater
{bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._price > g2._price;}
};
struct CompareNumLess
{bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._num < g2._num;}
};
struct CompareNumGreater
{bool operator()(const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._num > g2._num;}
};
int main()
{vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());sort(v.begin(), v.end(), CompareNumLess());sort(v.begin(), v.end(), CompareNumGreater());return 0;
}

 防函数能够解决这里的问题,但可能防函数的定义位置可能和使用防函数的地方相隔的比较远,这就要要求防函数的命名必须要通俗易懂,否则会降低代码的可读性.

对于这种场景就比较适合使用lambda表达式.比如:

int main()
{vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {return g1._price < g2._price; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {return g1._price > g2._price; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {return g1._num< g2._num; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {return g1._num < g2._num; });return 0;
}

这样一来,每次调用sort函数时只需要传入一个lambda表达式指明比较方式即可,阅读代码的人一看到lambda表达式就知道本次排序的比较方式是怎样的,提高了代码的可读性. 

lambda表达式的语法

lambda表达式书写格式:[capture-list](parameters)mutable->return-type{statement}

lambda表达式各部分说明 

• [capture-list]:捕捉列表.该列表总是出现在lambda函数的开始位置,编译器根据[]来判断接下来的代码是否为lambda函数,捕捉列表能够捕捉上下文的变量供lambda函数使用.
• (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可以连同()一起省略.
• mutable:默认情况下,lambda函数总是一个const函数,mutable可以取消其常量性.使用该修饰符时,参数列表不可省略(即使参数为空).
• ->return-type:返回值类型.用追踪返类型声明函数的返回值类型,没有返回值此部分可以省略.返回值类型明确情况下,也可以省略,由编译器对返回类型进行推导.
• {statement}:函数体.该函数体内,除了可以使用其参数外,还可以使用所有捕捉到的变量. 

lambda函数的参数列表和返回值类型都是可选部分,但捕捉列表和函数体时不可省略的,因此最简答的lambda函数如下:

int main()
{[] {};//最简单的lambda表达式return 0;
}

 该lambda表达式不能做任何事情.

捕获列表说明

捕获列表描述了上下文中那些数据可以被lambda函数使用,以及使用的方式是传值还是传引用.

• [var]:表示传值方式捕获变量var
• [=]:表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(成员函数包括this指针).
• [&var}:表示引用传递捕捉变量var
• [&]:表示引用传递捕捉父作用域中的变量(成员函数包括this指针).
• [this];表示值传递方式捕捉当前的this指针. 

说明一下:

• 父作用域指的是包含lambda函数的语句块.
• 语法上捕捉列表可以由多个捕捉项组成,并且以逗号分割.比如[=,&a,&b].
• 捕捉列表不允许变量重复传递,否则会导致编译错误,比如[=,a]重复传递了变量a.
• 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空,即全局lambda函数的捕捉列表必须为空.
• 在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中的局部变量,捕捉任何非次作用域或者非局部变量都会导致编译器报错.
• lambda表达式之间不能相互赋值,即使看起来类型相同. 

lambda表达式交换两个数

 如果要用lambda表达式交换两个数,可以有一下几种写法:

标准写法

参数列表中包含两个形参,表示需要交换的两个函数.注意需要以引用的方式传递.比如:

int main()
{int a = 10;int b = 20;auto Swap = [](int& x, int& y){int temp = x;x = y;y = temp;};Swap(a, b);return 0;
}

 说明一下:

• lambda表达式是一个匿名函数,该函数无法直接调用,如果想调用,可以借助auto将其赋值个一个变量,此时变量就可以像普通函数一样使用.
• lambda表达式的函数体在格式上并不是必须写成一行,如果函数体太长可以进行换行,但换行后不要忘记函数体最后还要有一个分号.

利用捕捉列表进行捕捉 

以引用的方式捕捉所有父变量域中的变量,省略参数列表和返回值类型.比如:

int main()
{int a = 10, b = 20;auto swap  = [&] {int temp = a; a = b; b = temp; };swap();cout << a << " " << b << endl;return 0;
}

 这样一来,调用lambda表达式时就不用传入参数了,但实际上我们只需要用到变量a和变量b,没必要把父作用域的所有变量都进行捕捉,因此也可以只对父作用域中的a,b变量进行捕捉.比如:

int main()
{int a = 10, b = 20;auto Swap = [&a, &b] {int temp = a; a = b; b = temp; };Swap();return 0;
}

说明一下:实际当我们以[&]或[=]的方式捕获变量时,编译器也不一定把父作用域中的所有变量都捕捉,编译器可能只会对lambda表达式中用到的变量进行捕捉,没有必要把用不到的变量也捕捉过来,这个主要看编译器的具体实现.

传值方式捕捉? 

如果以传值方式捕捉,那么首先编译器不会通过,因为传值捕捉到的变量默认都是不可修改的,如果要取消其常量性,就需要在lambda表达式中加上mutable,并且此时参数列表不可省略.比如:

int main()
{int a = 10;int b = 20;auto Swap = [a, b]()mutable{int temp = a;a = b;b = temp;};Swap();return 0;
}

 但由于这里式传值捕捉,lambda函数中对a和b的修改不会影响外面的a和b变量,与函数的传值传参是一个道理,因此这种方法无法完成两个数的交换.

lambda表达式底层原理

lambda表达式的底层原理 

实际编译器在底层对于lambda表达式的处理方式,完全就式是按照函数对象的方式处理.函数对象就是我们平时所说的防函数,就是在类中对()运算符进行重载的类对象.

下面编写了一个ADD类,该类对()运算符进行了重载,因此Add类实列化出的add1对象就叫做函数对象,add1可以像函数一样使用.然后我们编写了一个lambda表达式,并借助auto将其赋值给add2对象,这时add1和add2都可以像普通函数一样使用.比如:

class Add
{
public:Add(int base):_base(base){}int operator()(int num){return _base + num;}
private:int _base;
};int main()
{int base = 1;Add add1(base);add1(1000);auto add2 = [base](int num)->int{return base + num;};add2(1000);return 0;
}

调试代码并到反汇编,可以看到:

• 在创建函数对象add1时,会调用Add类的构造函数.
• 在使用函数对象add1时,会调用Add类的()运算符重载函数.

 观察lambda表达式时,也能看到类似代码:

• 借助auto将lambda表达式赋值给add2对象,会调用<lambda_uuid>类构造函数.
• 在使用add2对象时,会调用<lambda_uuid>类的()运算符重载函数.

如下图:

本质就是因为lambda表达式在底层被转化成了一个防函数.

• 当我们定义一个lambda表达式后,编译器会自动生成一个类,在该类中对()运算符进行重载,实际lambda函数体的实现就是这个防止函数的operator()的实现.
• 在调用lambda表达式时,参数列表和捕捉列表的参数,最终都传递给了防函数的operator. 

lambda表达式和范围for是类似的,他们在语法层面上看起来都很神奇,但实际上范围for通过迭代器实现的,lambda表达式底层处理的方式和函数对象是一样的.

lambda表达式之间不能相互赋值 

lambda表达式之间不能相互赋值,就算是两个一模一样的lambda表达式.

• 因为lambda表达式底层的处理方式和防函数是一样的,在VS下,lambda表达式在底层会被处理成函数对象,该函数对象对应的类名叫做<lambda_uuid>.
• 类名中uuid叫做通用唯一识别码,简单来说,uuid就是通过算法生成一串数字,保证在当前程序中每次生成的uuid都不会重复.
• lambda表达式底层的类名包含uuid,这样就能保证每个lambda表达式底层类名都是唯一的. 

因此每个lambda表达式的类型都是不同的,这也就是lambda表达式之间不能相互赋值的原因,我们可以通过typeid(变量).name()的方式来获取lambda表达式的类型.比如:

int main()
{int a = 10, b = 20;auto Swap1 = [](int& x, int& y)->void{int temp = x;x = y;y = temp;};auto Swap2 = [](int& x, int& y)->void{int temp = x;x = y;y = temp;};cout << typeid(Swap1).name() << endl;//class `int __cdecl main(void)'::`2'::<lambda_1>cout << typeid(Swap2).name() << endl; //class `int __cdecl main(void)'::`2'::<lambda_2>return 0;
}

可以看到,就算是两个一模一样的lambda表达式,它们的类型都是不同的.

说明一下:编译器只需要保证每个lambda表达式底层对应类的类名不同即可,并不是每个编译器都会将lambda表达式底层对应的类名处理成<lambda_uuid>,入vs2013用的就是uuid,vs2022用的就不是.