【C++11】Lambda 表达式：基本使用 和 底层原理

文章目录

  • Lambda 表达式
    • 1. 不考虑捕捉列表
      • 1.1 简单使用介绍
      • 1.2 简单使用举例
    • 2. 捕捉列表 [ ] 和 mutable 关键字
      • 2.1 使用方法
        • 传值捕捉
        • 传引用捕捉
      • 2.2 捕捉方法一览
      • 2.3 使用举例
    • 3. lambda 的底层分析

Lambda 表达式

书写格式：

[capture_list](parameters) mutable -> return_type{statement}

[capture_list]：

  • 捕捉列表，不能省略。
  • 固定在 lambda 表达式开始的位置，编译器也是根据 [] 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：

  • 一个修饰符，取消传值捕捉时值的默认 const 属性（lambda 函数默认是一个 const 类型的，里面的值不可修改）。
  • 另：若使用了 mutable 修饰符，则 (参数列表) 是不可省略掉的，即使是参数为空。

return_type：

  • 返回值类型。可以省略，编译器会自动推导。

{statement}：

  • 函数体部分，{} 不能省略，但内容可以为空。
  • 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。

如下是最简单的 lambda 对象，没啥用就是了…

[] {};

1. 不考虑捕捉列表

1.1 简单使用介绍

比如我们要实现一个两个数相加的函数，用 lambda 表达式就需要写成这样

auto add = [](int x, int y)->int {return x + y; };		
cout << add(1, 2) << endl;
//cout << [](int x, int y)->int {return x + y; }(1, 2) << endl;		// 这样写也能运行，但是我们不这样...

解析：= 后面这一坨整体，代表的是一个 lambda 对象，拿这个对象去构造 add后面就可以用 add 去等价调用函数了

可以看出，lambda 表达式实际上可以理解为 匿名函数，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。

需要注意的是：

  • 返回值可以忽略（编译器自动完成推导）
  • 函数体语句多的话，可以按照如下格式写
auto add = [](int x, int y)		// 返回值可以省略，编译器可以自动推导
{								// 函数体语句多的话，可以放下来写return x + y;
};
cout << add2(1, 2) << endl;

1.2 简单使用举例

🌰实现商品各个内容的排序：

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){}
};

仿函数写法：

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;}
};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());
}

lambda 写法：

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

int main()
{vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2, 3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };// 价格升序auto priceLess = [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._price < g2._price; };sort(v.begin(), v.end(), priceLess);	// 相较于仿函数更好调试// 价格降序sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._price > g2._price; });									// 这个把断点放头上可能会一直出不来，调试的时候跳到了需要手动取消断点走下一个// 改成比较别的类型也很方便sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._evaluate < g2._evaluate;});sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._evaluate > g2._evaluate;});return 0;
}

2. 捕捉列表 [ ] 和 mutable 关键字

📕注意事项（具体论证见下文）：

  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。

  3. 捕捉列表不允许变量重复传递，否则就会导致编译错误。

    eg：[=, 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。同时有，在块作用域以外的 lambda 函数捕捉列表必须为空。

  5. lambda表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同

若不使用 lambda 捕捉，实现一个 swap 接口如下：

int x = 0, y = 1;
auto swap1 = [](int& rx, int& ry)
{int tmp = rx;rx = ry;ry = tmp;
};swap1(x, y);
cout << x << " "<< y << endl;

而 捕捉列表 描述了：

  • 上下文中哪些数据可以被 lambda 使用
  • 以及使用的方式 传值 还是 传引用

2.1 使用方法

传值捕捉

  • [val] 是 传值捕捉 [x, y]，相当于把 x 和 y “捕捉” 到 lambda 表达式中，直接就可以访问了。这时 lambda 是 const 函数，其中的 x 和 y 不能修改；

  • 加上关键字 mutable 就可以修改了，不过此时的 x 和 y 就是函数形参。

  • 另外需要注意的是，有 mutable 时，参数列表的括号不能省略。建议平时也不要省略

并不能达到效果的错误使用：

// err，这是一个错误的写法
int x = 0, y = 1;
auto swap2 = [x, y]() mutable 
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
};
swap2();
cout << x << " " << y << endl;

像如上，虽然对 x 和 y 进行了捕捉，也加上了 mutable 使其可以修改，但实际并达不到我们让全局变量 x 和 y 修改的效果。因为 lambda 中他们只是形参，一份临时拷贝的对象。

传引用捕捉
  • [&val] 是将外面的值传引用到 lambda 内部
  • 需要在 lambda 内部对某个变量修改时用传引用捕捉

真正修改了外面的参数：

// 这里的 &x 就是引用捕捉int& x（不是取地址
// 引用捕捉
int x = 0, y = 1;
auto swap2 = [&x, &y]()
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
};
swap2();
cout << x << " " << y << endl;

2.2 捕捉方法一览

混合捕捉

[var]：表示 值传递方式 捕捉变量 var
[this]：表示 值传递方式 捕捉当前的 this 指针
[&var]：表示 引用传递捕捉 变量 var

auto func1 = [&x, y]()
{//...
};

全部引用捕捉

[&]：表示 引用传递捕捉 所有父作用域中的变量（包括 this）

auto func2 = [&]()
{//...
};

全部传值捕捉

[=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量（包括 this）

auto func3 = [=]()
{//...
};

全部引用捕捉，x 传值捕捉

auto func4 = [&, x]()
{//...
};

此外排列组合：

[=, &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]：以 值传递方式 捕捉变量 a 和 this，引用方式 捕捉其他变量

2.3 使用举例

先来个讲解前提，创建线程：

  • Linux 下创建线程：pthread_create（posix）
  • C++98，linux 和 windows 下都可以支持的多线程程序：条件编译。
#ifdef _WIN32CreateThread
#elsepthread_create
#endif
  • C++11，linux 和 windows 下都可以支持的多线程程序：thread库。

🌰要求 m 个线程分别打印 1~n

线程的传统写法：

void Func1(int n, int num)
{for (int i = 0; i < n; i++){cout <<num<<":" << i << endl;}cout << endl;
}
int main()
{int n1, n2;cin >> n1 >> n2;thread t1(Func1, n1, 1);thread t2(Func1, n2, 2);t1.join();t2.join();return 0;
}

lambda 写法：第一种，较为冗余，不便于添加线程

int main()		// 这个版本蛮冗余
{int n1, n2;cin >> n1 >> n2;thread t1([n1](int num){for (int i = 0; i < n1; i++){cout <<num<<":" << i << endl;}cout << endl;}, 1);thread t2([n2](int num){for (int i = 0; i < n2; i++){cout << num << ":" << i << endl;}cout << endl;}, 2);t1.join();t2.join();return 0;
}

lambda 写法：第二种，推荐

int main()
{size_t m;cin >> m;vector<thread> vthds(m);// 要求 m 个线程分别打印 1~nfor (size_t i = 0; i < m; i++){size_t n;cin >> n;vthds[i] = thread([i, n, m]() {		// 匿名的lambda对象，移动赋值给的vhds[i]for (int j = 0; j < n; j++){cout << i << ":" << j << endl;}cout << endl;});}for (auto& t : vthds)	// thread 不支持拷贝构造（delete了），这里要加引用才跑得动{t.join();}return 0;
}

3. lambda 的底层分析

先说结论，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（仿函数）的方式处理的。

即：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()。

  • 参数列表 会变成 仿函数的参数
  • 函数体 就是 仿函数主体
  • lambda 对象的类型 就是 仿函数的类型（见后文）
  • 如下这个仿函数类是一个没有给成员变量的空类，所以大小是 1 个字节 反汇编可以查到
int x = 0, y = 1;
int m = 0, n = 1;auto swap1 = [](int& rx, int& ry)
{int tmp = rx;rx = ry;ry = tmp;
};cout << sizeof(swap1) << endl;	// 输出 1

有如下一个模拟计算理财收益的类：

class Rate
{
public:Rate(double rate) : _rate(rate)	{}			// 传入利率double operator()(double money, int year)	// 参数：本金和年限，返回收益{return money * _rate * year;			// 模拟计算}
private:double _rate;
};
  • 以下代码，函数对象的汇编过程：call 仿函数的构造函数，再 call operator()
// 函数对象
int main()
{double rate = 0.49;Rate r1(rate);r1(10000, 2);cout << sizeof(r1) << endl;	// 8return 0;
}

  • 以下代码，lambda 汇编过程：call lambda_uuid 类的构造函数，再call <lambda_uuid>::operator()

  • uuid 是一个电脑生成的唯一随机值，作为 lambda 类的后缀，刚刚好唯一标识

查看 r2 的大小，r2 里面没使用 lambda 涉及参数之外的 变量 n（如果用了的话根据内存对齐规则，r2 的大小是 16），也就是说：

  • [=] 实际使用的值，才会在 lambda 类中作为成员变量初始化，所以这里的 8 是 double _rate 的大小
// lambda
int main()
{		double rate = 0.49;int n = 0;	// 测试 [=] 全部传值捕捉auto r2 = [=](double money, int year)->double {return money * rate * year; };r2(10000, 2);cout << sizeof(r2) << endl;	// 8return 0;
}// 所以：lambda 和范围 for 一样，底层是用别的实现的，被封装了一趟而已
  • 之前提及的 lambda_uuid，才是 lambda 表达式底层的类型名称，编译器会给他们唯一标识的名称

下面代码，f1 和 f2 即使看着一样，如上阐述，实则底层的类型名称都不同，不能互相赋值：

auto f1 = [] {cout << "hello world" << endl; };
auto f2 = [] {cout << "hello world" << endl; };
//f1 = f2;	// err...

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