C++學習之Lambda表示式的用法詳解

2022-07-27 14:03:04

簡介

Lambda 表示式（lambda expression）是一個匿名函數，Lambda表示式基於數學中的λ演算得名，直接對應於其中的lambda抽象（lambda abstraction），是一個匿名函數，即沒有函數名的函數。Lambda表示式可以表示閉包（注意和數學傳統意義上的不同）。

閉包就是能夠讀取其他函數內部變數的函數，可以理解成“定義在一個函數內部的函數“。在本質上，閉包是將函數內部和函數外部連線起來的橋樑。

C++中的Lambda表示式從C++11開始引入，完整的宣告如下：

[ 捕獲 ] <模板形參> 約束(可選)
( 形參 ) lambda說明符約束(可選) { 函數體 }

上面的 <模板形參>、約束(可選)、lambda說明符 屬於較新的標準（c++17起），一般用的比較少，後面主要說明 [ 捕獲 ] 部分。

形參和函數體 與具名函數的定義一致，沒有區別。

一個簡單的Lambda表示式應用場景，程式碼如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    vector<int> vec{ 3, 4 };
    //降序排序
    sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) {return a > b; });
    for (size_t i = 0; i < vec.size(); i++)
    {
        cout << vec[i] << endl;
    }
}

捕獲

捕獲是一個含有零或更多個捕獲符的逗號分隔列表，可以預設捕獲符開始。

預設捕獲符只有 &（以參照隱式捕獲被使用的自動變數）和=（以**複製隱式捕獲被使用的自動變數）。

當預設捕獲符是 & 時，後繼的簡單捕獲符不能以 & 開始。

struct S2 { void f(int i); };
void S2::f(int i)
{
    [&]{};          // OK：預設以參照捕獲
    [&, i]{};       // OK：以參照捕獲，但 i 以值捕獲
    [&, &i] {};     // 錯誤：以參照捕獲為預設時的以參照捕獲
    [&, this] {};   // OK：等價於 [&]
    [&, this, i]{}; // OK：等價於 [&, i]
}

當預設捕獲符是 = 時，後繼的簡單捕獲符必須以 & 開始，或者為 *this (C++17 起) 或 this (C++20 起)。

struct S2 { void f(int i); };
void S2::f(int i)
{
    [=]{};          // OK：預設以複製捕獲
    [=, &i]{};      // OK：以複製捕獲，但 i 以參照捕獲
    [=, *this]{};   // C++17 前：錯誤：無效語法
                    // C++17 起：OK：以複製捕獲外圍的 S2
    [=, this] {};   // C++20 前：錯誤：= 為預設時的 this
                    // C++20 起：OK：同 [=]
}

任何捕獲符只可以出現一次，並且名字不能與形參相同：

struct S2 { void f(int i); };
void S2::f(int i)
{
    [i, i] {};        // 錯誤：i 重複
    [this, *this] {}; // 錯誤："this" 重複（C++17）
 
    [i] (int i) {};   // 錯誤：形參和捕獲的名字相同
}

上面出現的兩個特殊的捕獲符作用如下：

this：當前物件的簡單的以參照捕獲

* this：當前物件的簡單的以複製捕獲

原理

先建一個簡單的Lambda表示式範例，程式碼如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    int sum = 0;
    int std = 1;
    vector<int> vec{ 3, 4 };    
    for_each(vec.begin(), vec.end(), [&sum,std](int x) {sum += (x+std); });
    cout << sum << endl;
}

然後在C++ Insights中檢視Lambda表示式展開後的程式碼，完整程式碼如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
  int sum = 0;
  int std = 1;
  std::vector<int, std::allocator<int> > vec = std::vector<int, std::allocator<int> >{std::initializer_list<int>{3, 4}, std::allocator<int>()};
    
  class __lambda_11_38
  {
    public: 
    inline void operator()(int x) const
    {
      sum = sum + (x + std);
    }
    
    private: 
    int & sum;
    int std;
    public: 
    // inline /*constexpr */ __lambda_11_38(__lambda_11_38 &&) noexcept = default;
    __lambda_11_38(int & _sum, int & _std)
    : sum{_sum}
    , std{_std}
    {}
    
  };
  
  std::for_each(__gnu_cxx::__normal_iterator<int *, std::vector<int, std::allocator<int> > >(vec.begin()), __gnu_cxx::__normal_iterator<int *, std::vector<int, std::allocator<int> > >(vec.end()), __lambda_11_38(__lambda_11_38{sum, std}));
  std::cout.operator<<(sum).operator<<(std::endl);
  return 0;
}

可以看到Lambda表示式展開為類__lambda_11_38，捕獲的外部變數賦值到類的成員變數上，參照捕獲以指標賦值，複製捕獲直接拷貝。

類__lambda_11_38過載了操作符()，它其實就是一個仿函數。

Lambda回撥

在C++中可以使用模板、函數指標、抽象類和Lambda實現回撥的效果，此處主要說明如何使用Lambda和function在同步執行緒中實現回撥的效果。

類別範本 std::function 是通用多型函數包裝器，範例能儲存、複製及呼叫任何可複製構造 (CopyConstructible) 的可呼叫 (Callable) 目標——函數、 lambda 表示式、 bind 表示式或其他函數物件，還有指向成員函數指標和指向資料成員指標。

若 std::function 不含目標，則稱它為空，呼叫空 std::function 的目標導致丟擲 std::bad_function_call 異常。

一個簡單的Lambda回撥，類似於C#中的事件，程式碼如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;

class Test
{
public:
    function<void(const int& num)> Func;
    void SetNum(int num) 
    {
        nowNum = num;
        OnFunc(nowNum);
    }
private:
    int nowNum;
    void OnFunc(const int& num)
    {
        if (Func)
        {
            // 在此處回撥
            Func(num);		
        }
    }
};
int main()
{
    Test test;
    test.Func = [](const int& num)
    {
        cout << num << endl;
    };
    test.SetNum(100);
}

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