【C/C++基础】Lambda 表达式

文章目录

- 介绍 lambda
- - 谓词
  - lambda 表达式的形式
- 向 lambda 传递参数
- 使用捕获列表
- - 值捕获
  - 引用捕获
  - 隐式捕获
- 指定 lambda 返回类型
- - 返回 void 类型
  - 使用尾置返回类型

介绍 lambda

我们在自定义排序中经常看到如下代码：

sort(nums.begin(), nums.end(), [](const int& a, const int& b) {
    return a > b;
});

这个代码中使用的是 sort 的带二个版本，这个版本是重载过的，它接受三个参数，第三个参数是一个谓词。

谓词

谓词是一个可调用的表达式，其返回结果是一个能用作条件的值。接受谓词参数的算法对输入序列中的元素调用元素。对应上述的自定义排序算法，该算法会将数组 nums 中的元素进行降序排序。

你可以这样理解：

对于数组中需要比较的两个元素 a 和 b，如果 a > b 为真，那么 a 就会被放在 b 前面，也就是大的数放在数组中前面位置，小的数放在数组靠后位置，数组表现出降序状态。
如果 a > b 为假，那么 a 就会被放在 b 后面，排序呈升序状态。

标准库算法所使用的谓词分为两类：一元谓词和二元谓词。一元谓词和二元谓词对应的只能接受单一参数和两个参数。但是有时我们希望进行的操作需要更多的参数，超过了算法对谓词的限制。于是，引入了 lambda 表达式。

lambda 表达式的形式

lambda 表达式是 C++11 标准加入的一个重要的新特性，它提供了一种在代码中很方便定义函数的方法。写法很简洁，一个 lambda 表达式具有如下形式：

[capture list] (parameter list) -> return type {function body};

parameter list：与普通函数一样表示参数列表，参数列表可忽略（等价于指定一个空参数列表）；不同于普通函数的是，lambda 不能有默认参数。
capture list：捕获列表，是一个 lambda 所在函数中定义的局部变量的列表。
return type：返回类型，如果函数体包含任何单一 return 之外的内容，且未指定返回值，则返回 void。

接下来对 向 lambda 传递参数、使用捕获列表 和 指定 lambda 返回类型 进行详细介绍。

向 lambda 传递参数

与一个普通函数调用类似，用一个 lambda 时给定的实参被用来初始化 lambda 的形参，通常实参与形参的类型必须匹配。但是与普通函数不同，lambda 不能有默认参数。因此，一个 lambda 调用的实参数数目永远等于形参数目。

使用捕获列表

一个 lambda 可以出现在一个函数中，使用其局部变量。如果一个 lambda 需要使用某些局部变量，则需要将局部变量包含在捕获列表中。空捕获列表则表示 lambda 不会使用它所在函数中的任何局部变量。

类似于参数传递，变量的捕获的方式也有值方式和引用方式。

值捕获

下面的代码中的 lambda 就是值捕获的方式。

void fcn1 () {
    size_t v1 = 42;
    auto f = [v1] {
        return v1;
    };
    v1 = 0;
    auto j = f();
}

与值传递参数类似，采用值捕获的前提是变量是可拷贝的。

与参数不同，被捕获的变量的值在 lambda 创建时拷贝，而不是调用时拷贝。在此例子中，由于被捕获变量的值 v1 是在 lambda 创建时拷贝，因此随后对其修改不会影响 lambda 内对应的值。最终的 j = 42，保存了我们创建它时 v1 的拷贝。

可调用对象

另外要说一下，lambda 表达式是一个可调用对象，可以直接对其使用调用运算符（即 ()）。另外还有三种可调用对象：函数、函数指针和重载了调用运算符的类。

引用捕获

我们定义 lambda 时可以采用引用方式捕获变量。

void fcn2 () {
    size_t v1 = 42;
    // 对象 f2 包含 v1 的引用
    auto f2 = [&v1] {
        return v1;
    };
    v1 = 0;
    auto j = f2();	// j 为 0: f2 保存对 v1 的引用，而非拷贝
}

v1 之前的 & 指出 v1 应该以引用方式捕获。当我们在 lambda 函数体内使用引用捕获的变量时，实际上使用的是引用绑定的对象。在此例子中，当 lambda 返回 v1 时，它返回的是 v1 指向的对象的值。因为通过 v1 = 0，改变了对象的值，所以最终有 就= 0。

使用限制

引用捕获与返回引用有着相同的问题和限制。在返回引用中，一定不能返回局部变量的引用。

在 lambda 表达式中，如果我们采用引用方式捕获一个变量，必须保证在 lambda 执行时变量是存在的。lambda 捕获的都是局部变量，这些局部变量在函数结束后就不存在了。如果 lambda 可能在函数结束后执行，捕获的引用指向的局部变量已经消失。

必要性

有些时候使用引用捕获是必要的。比如在捕获 ostream 对象时，由于我们不能拷贝 ostream 对象，因而捕获 os（ostream 的实例化）的唯一方法就是引用捕获。

隐式捕获

除了显示列出我们希望使用的来自函数的变量之外，还可以让编译器根据 lambda 函数体中的代码自动推导出我们要使用哪些变量。此时使用 & 或 = 指示编译器推断捕获列表。& 告诉编译器采用引用捕获方式，= 则表示采用值捕获方式。

混合捕获

如果我们希望一部分采用值捕获，对其他变量采用引用捕获，可以混合使用隐式捕获和显示捕获。混合使用隐式捕获和显示捕获时，有以下几点注意事项：

捕获列表中的第一个元素必须是一个 & 或 =。
显示捕获的变量必须使用与隐式捕获不同的方式。比如，隐式捕获采用的是引用方式，则显示捕获必须采用值捕获方式。

指定 lambda 返回类型

返回 void 类型

默认情况下，如果一个 lambda 函数体包含 return 之外的任何语句，则编译器假定此 lambda 返回 void。

先看一个简单的例子，我们使用标准库中的 $\texttt{transform}$ 算法和 lambda 将一个序列中的每个负数都替换成其绝对值。

tansform(vi.begin(), vi.end(), vi.begin(), [](int i) {
    return i < 0 ? -i : i; 
});

$\texttt{transform}$ 接受三个迭代器和一个可调用对象（lambda）。前两个迭代器表示输入序列，第三个迭代器表示结果写入的目的位置。 $\texttt{transform}$ 将输入序列中每个元素替换为可调用对象操作该该元素得到的结果。

在本例中，我们传递给 $\texttt{transform}$ 一个 lambda，它返回其参数的绝对值。lambda 函数体中是一个条件表达式，一个单一的 return 语句。我们无须指定返回类型，因为可以自动推导出 void 类型。

但是，如果我们将程序改写成看起来等价的 if 语句，就会产生产生编译错误。以下代码实测，编译器并不会报错。

tansform(vi.begin(), vi.end(), vi.begin(), [](int i) {
    if (i < 0) {
        return -i;
    }
    return i;
});

编译器推断出这个版本的 lambda 返回类型为 void，但是它返回了一个 int 值。

注：根据《C++ Primer》lambda 表达式一节的说法，如果一个 lambda 函数体包含 return 之外的任何语句，则编译器假定此 lambda 返回 void。但是在代码实测中，编译器推断出这个版本的 lambda 返回类型为 void，而实际上 lambda 表达式返回一个未通过尾置法指定返回类型的非 void 类型，编译器一不会报错。

使用尾置返回类型

当我们需要为一个 lambda 定义返回类型时，必须使用 尾置返回类型。

tansform(vi.begin(), vi.end(), vi.begin(), [](int i) -> int {
    if (i < 0) {
        return -1;
    }
    return i;
});

尾置返回类型是 $\texttt{C++11}$ 标准中引入的一种新特性。任何函数的定义都能使尾置返回，但是这种形式对于返回值类型比较复杂的函数最有效，比如返回类型是数组的指针或者数数组的引用。尾置返回类型跟在形参列表之后以一个 -> 开头，-> 后面就是返回类型。

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