C++11——lambda表达式

一、lambda表达式的引入

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：

#include <algorithm>
#include <functional>
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
	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]))
	// 如果需要降序，需要改变元素的比较规则
	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), greater<int>());
	return 0;
}

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
};

这里想要对商品排序，可以采用sort函数，对于sort函数则有仿函数和重载( )运算符这两种方法：

1. 对于此自定义类型，显然通过重载商品类的()运算符是不可行的，因为()运算符只能针对其中一种方法进行排序，比如名字或价格或评价，如果我对名字进行排序了，但是后续想要通过对价格进行排序，此时就行不通了，就需要再改重载( )的方法，这么做实在是太麻烦了，不适合用。
2. 相反，按照我们先前学过的知识点，使用仿函数可以很好的进行任意一种方式的排序（名字、价格、评价），实现如下：

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;
	}
};
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());//按价格升序排序
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());//按价格降序排序
    sort(v.begin(), v.end(), CompareNumLess());      //按数量升序排序
	sort(v.begin(), v.end(), CompareNumGreater());   //按数量降序排序
}

• 使用仿函数可以解决此问题，不过比较麻烦，如果我自定义类型有多个变量，恰好我又对这些变量有排序的需求，那么我就要写多个仿函数，代价稍微有点大。
• 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

这里我们先给出使用lambda表达式的方法解决上述对于自定义类型的排序需求的问题：

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._evaluate < g2._evaluate; });
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
		return g1._evaluate > g2._evaluate; });
}

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。下面我将演示lambda究竟是什么，以及其如何演化到上面的代码的。

1.lambda表达式的语法

lambda表达式书写格式如下：

//  捕捉列表	  参数列表    取消常量性	   返回值类型     函数体
[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中的变量供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，则可以连同()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)。
• ->returntype：返回值类型。用追踪返回类型形式声明函数的返回值类型，没有返回值时此部分可省略。返回值类型明确情况下，也可省略，由编译器对返回类型进行推导。
• {statement}：函数体。在该函数体内，除了可以使用其参数外，还可以使用所有捕获到的变量。

注意：

• 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。因此C++11中最简单的lambda函数为：[]{}; 该lambda函数不能做任何事情。

示例：

• 比如我要实现Add加法函数：

int main()
{
	int a = 0, b = 1;
	auto Add1 = [](int x, int y)->int { return x + y; };
	cout << Add1(a, b) << endl;//1
    auto Add2 = [a](int x)->int{ return x + b; };
    cout << Add2(6) << endl; // 7
	return 0;
}

返回值类型明确的情况下，返回值类型可以省略掉，由编译器自动推导：

int main()
{
	int a = 0, b = 1;
	//返回值类型明确的情况下，返回值类型可以省略掉，由编译器自动推导
	auto Add2 = [](int x, int y) { return x + y; };
	cout << Add2(a, b) << endl;//1
	return 0;
}

来看下指定返回值类型的情况：

int main()
{
	int a = 40, b = 60;
	auto Add1 = [](int x, int y)->double { return (x + y) / 3.0; };
	auto Add2 = [](int x, int y)->int { return (x + y) / 3.0; };
	cout << Add1(a, b) << endl;//33.3333
	cout << Add2(a, b) << endl;//33
	return 0;
}

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.lambda表达式捕捉列表说明

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。

• [var]：表示值传递方式捕捉变量var
• [=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)
• [&var]：表示引用传递捕捉变量var
• [&]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)
• [this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针

注意：

1. 父作用域指包含lambda函数的语句块
2. 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
3. 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
4. 在块作用域以外的lambda函数捕捉列表必须为空。
5. 在块作用域中的lambda函数仅能捕捉父作用域中局部变量，捕捉任何非此作用域或者非局部变量都会导致编译报错。
6. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同

示例1：Add加法函数

• 对于上述实现的Add加法函数，如果我不想传参数，那么就需要用到捕捉列表。此时参数和返回值均可省略，且调用的地方也不需要传参。

int main()
{
	int a = 40, b = 60;
	auto Add1 = [](int x, int y)->int { return (x + y) / 3.0; };
	cout << Add1(a, b) << endl;//33
	//传值捕捉
	auto Add2 = [a, b] { return (a + b) / 3.0; };
	cout << Add2() << endl;//33.3333
    return 0;
}

示例2：交换函数

• 这里的交换函数不需要用到返回值，所以返回值可以省略，其次注意形参的改变不会影响实参，需要传引用。

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto swap1 = [](int x, int y) {
    //auto swap1 = [a, b]
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;
	};
	swap1(a, b);
    //swap1();
	cout << a << " " << b << endl;//20 10
	return 0;
}

假设我不想用到参数列表，那么就需要在捕获列表进行捕捉：

注意这样写会出现一个问题， 默认情况下，lambda函数总是一个const函数，所以a和b不可被修改，我们可以使用mutable来取消其常量性。

此时又会出现一个问题，怎么我又交换不了了，原因还是形参的改变不会影响实参，捕获列表要引用传递捕获变量：

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	auto swap2 = [&a, &b] {
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	swap2();
	cout << a << " " << b << endl;//20, 10
}

示例3：演示=、&

• =和&的好处在于，当我需要获得多个变量时，可以直接采用=或&捕获所有父作用域变量：

int main()
{
	int c = 2, d = 3, e = 4, f = 5, g = 6, ret;
	//传值捕获全部变量
	auto Func1 = [=] {
		return c + d * e / f + g - 1;
	};
	cout << Func1() << endl;//9
	//传引用捕获全部变量
	auto Func2 = [&] {
		ret = c + d * e / f + g - 2;
		return ret;
	};
	cout << Func2() << endl;//8
	//混着捕捉：c,d传值。ret传引用
	auto Func3 = [c, d, &ret] {
		ret = c + d;
		return ret;
	};
	cout << Func3() << endl;//5
	//混着捕捉：ret传引用捕捉，其它全部传值捕捉
	auto Func4 = [=, &ret] {
		ret = c + d * e / f + g - 3;
		return ret;
	};
	cout << Func4() << endl;//7
	return 0;
}

注意：lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同

void (*PF)();
int main()
{
	auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	// 此处先不解释原因，等lambda表达式底层实现原理看完后，大家就清楚了
	//f1 = f2; // 编译失败--->提示找不到operator=()
	// 允许使用一个lambda表达式拷贝构造一个新的副本
	auto f3(f2);
	f3();
	// 可以将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针
	PF = f2;
	PF();
	return 0;
}

3.使用lambda表达式排序自定义类型

说完了lambda的基础语法，再来看看我们一开始引入lambda时写的自定义类型：

struct Goods
{
	string _name; // 名字
	double _price; // 价格
	int _evaluate; // 评价
};

先前我们说对此自定义类型可以采用仿函数的方式进行排序，不过代码量繁杂，我们可以使用lambda来解决：

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

不过我们这里写的还算“保守”，因为我还给lambda表达式的返回值取名了，我们可以直接把它当成返回值放入sort函数中，这里再演示其它变量用lambda排序的方式：

struct Goods
{
	string _name; // 名字
	double _price; // 价格
	int _evaluate; // 评价
};
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; });//价格升序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
		return g1._price > g2._price; });//价格降序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
		return g1._evaluate < g2._evaluate; });//评分升序
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2) {
		return g1._evaluate > g2._evaluate; });//评分降序
}

• 此时就和我们前面给出的lambda表达式解决自定义类型排序的写法一致啦，这就是整个推演过程。

问：lambda是否可以取代仿函数？

针对此问题，答案是不可以的，通过我们上面的学习，发现lambda对处理自定义类型的排序确实要方便很多，不过在模板参数中不能使用lambda表达式，只能使用仿函数，原因如下：

1. 仿函数既可以代表类型，也可以代表对象
2. lambda定义的是一个对象

而模板参数的需求是要传类型，这里很显然就只能使用仿函数了。

4.lambda表达式的底层原理

• 实际上lambda的底层就是仿函数，函数对象，又称为仿函数，即可以像函数一样使用的对象，就是在类中重载了operator()运算符的类对象。

我们以如下的案例进行说明：求利率

• 如下我下了一个Rate求利率的仿函数，里面对( )运算符进行了重载，因此Rate实例化出的r1对象即函数对象，使r1可以像函数一样使用，后续又编写了一个lambda表达式，借助auto将其赋值给r2对象，使其也能够像函数一样使用。

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);
	// lambda
	auto r2 = [=](double money, int year)->double {return money * rate * year; };
	r2(10000, 2);

	auto r3 = [=](double money, int year)->double {return money * rate * year; };
	r3(10000, 2);
	return 0;
}

下面调试代码进入反汇编，看到如下现象：

1、普通仿函数：

• 创建函数对象r1时，调用Rate类的构造函数
• 调用函数对象r1时，调用Rate类的( )运算符重载

2、lambda表达式：

• 借助auto把lambda表达式赋值给r2时，会调用<lambda_uuid>类的构造函数。
• 在调用r2对象时，会调用<lambda_uuid>类的()运算符重载函数。

• 我定义一个lambda表达式，那么底层会生成一个仿函数，编译器看不到lambda，看到的是这个仿函数，当我调用lambda表达式的时候，编译器回去调用此仿函数的operator( )运算符重载。
• 至于<lambda_2……330b3>这么一长串东西就是我们图示标注的<lambda_uuid>，也就是仿函数的类型名称。

3、解释类名中的uuid：

• 类名中的uuid是通用唯一识别码（Universally Unique Identifier）的缩写，其作用是通过算法生成一些唯一的字符串，保证在当前程序当中每次生成的uuid都不会重复。
• 我上层是看不到lambda的名称的，所以这就导致给lambda取名字时很容易就会冲突，使用了uuid，那么不同的lambda转换后生成仿函数的名称就不一样了，也就不会发生冲突了。

4、解释lambda表达式之间不能相互赋值：

• 对于我们先前给出的示例，即使我两个lambda表达式的实现是一样的，但lambda表达式在底层会被处理为函数对象，该函数对象对应的类名叫做<lambda_uuid>，uuid通过算法生成一串字符串，保证在当前程序当中每次生成的uuid都不会重复。这里也就生成了两个类型的仿函数，自然也就是两个不同的对象，当然就不能赋值。

void (*PF)();
int main()
{
	auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };
	//f1 = f2; // 编译失败--->提示找不到operator=()
	// 允许使用一个lambda表达式拷贝构造一个新的副本
	auto f3(f2);
	f3();
	// 可以将lambda表达式赋值给相同类型的函数指针
	PF = f2;
	PF();
	return 0;
}

5、总结：

1. 每个lambda都会被转换成一个仿函数类型
2. 普通仿函数的名称是自己取的，lambda的仿函数名称是编译器取的