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C++：Lambda表达式

王强

发布于 2019-03-04 08:27:11

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1. 匿名函数概念2. Lambda 表达式的表示3. Lambda 表达式各部分3.1 Capture 子句3.1.1 引用捕获3.1.2 值捕获3.1.3 不捕获3.1.4 捕获方式总结3.2 参数列表3.3 可变规范3.4 异常规范3.5 返回类型3.6 函数体4. 嵌套 Lambda 表达式

1. 匿名函数概念

在计算机编程中，匿名函数（英语：anonymous function）是指一类无需定义标识符（函数名）的函数或子程序，普遍存在于多种编程语言中。

在 C++11 和更高的版本中，lambda 表达式通常称为 lambda —— 是一种在调用它或作为参数传递给函数时定义匿名函数对象（闭包）的简便方法。Lambda 通常用于封装传递给算法或异步方法的少量代码。

注:** 本文只讨论 C++11 中的 lambda特性。

2. Lambda 表达式的表示

ISO C++ 标准展示了作为第三个参数传递给 std::sort()函数的简单 lambda：

#include <algorithm>
#include <cmath>

void abssort(float* x, unsigned n) {
    std::sort(x, x + n,
        // Lambda expression begins
        [](float a, float b) {
            return (std::abs(a) < std::abs(b));
        } // end of lambda expression
    );
}

lambda 表达式的完整语法如下：

[captures] （params） specifiers(可选) exception -> ret { body }

下图通过实例展示了 lambda 的组成部分：

01_constituent_part_of_lambda

解释：

captures - 零或更多捕获的逗号分隔列表，可选地以 capture-default 起始。捕获的详细描述见下方。若变量满足下列条件，则 lambda 表达式能使用而不捕获它

为非局部变量，或拥有静态或线程局域存储期（该情况下不能捕获该变量），或
为以常量表达式初始化的引用。若变量满足下列条件，则 lambda 表达式能读取其值而不捕获它
拥有 const 而非 volatile 的整数或枚举类型，并已用常量表达式初始化，或
为 constexpr 且为可平凡复制构造。

params - 参数列表 (也称为lambda 声明符，可选) 若以 auto 为参数类型，则该 lambda 为泛型 lambda 。 (C++14 起)
specifiers - 可变规范（可选）。可选的指定符序列。允许下列指定符：

mutable ：允许 body 修改以复制捕获的参数，及调用其非 const 成员函数
constexpr ：显式指定函数调用运算符为 constexpr 函数。此指定符不存在时，若函数调用运算符恰好满足所有 constexpr 函数要求，则它也会是 constexpr(C++17 起)
consteval ：指定函数调用运算符为立即函数。不能同时使用 consteval 和 constexpr 。(C++20 起)

exception - 异常规范（可选）。为闭包类型的 operator() 提供异常规定或 noexcept 子句。
ret - 返回类型（可选）。若缺失，则由函数的 return 语句所隐含（或若函数不返回任何值则为 void ）。
body - lambda 函数体。

Lambda 表达式是纯右值表达式，其类型是独有的无名非联合非聚合类类型，被称为闭包类型，它声明于含有该 lambda 表达式的最小块作用域、类作用域或命名空间作用域。

3. Lambda 表达式各部分

3.1 Capture 子句

Lambda 以 capture 子句开头，指定哪些变量被捕获，以及是通过值还是引用捕获。Lambda 通过在最前面的方括号 [] 来明确指明其内部可以访问的外部变量，这一过程也称为 Lambda 表达式“捕获”了外部变量。

3.1.1 引用捕获

使用引用捕获一个外部变量，只需要在捕获列表变量前面加引用说明符 & 即可，如果捕获列表只有一个引用说明符但没有变量名称，则表示可以引用访问所有其可以访问到的变量。

示例 3.1.1：

void CaptureByRef()
{
    int total = 20;
    auto func = [&]() {
        cout << "The total num of sutdents is: " << total << endl;

        cout << "There comes a new student. " << endl;
        total++;
    };

    func();

    cout << "Now, the total number of sutdents is: " << total << endl;
}

上述示例在 func 匿名函数中对 total 采用引用访问，并在该函数中对 total 进行加一操作，输出如下：

The total num of sutdents is: 20
There comes a new student.
Now, the total number of sutdents is: 21

3.1.2 值捕获

使用值捕获一个外部变量，只需要在捕获列表变量前面加一个等号 = 即可，如果捕获列表只有一个等号但没有变量名称，则表示可以使用值捕获的方式访问所有其可以访问到的变量。如果我们仅将上述示例的引用访问改为值访问，会怎样？

示例 3.1.2：

void CaptureByValue()
{
    int total = 20;
    auto func = [=]() {
        cout << "The total num of sutdents is: " << total << endl;

        cout << "There comes a new student. " << endl;
        total++;
    };

    func();

    cout << "Now, the total number of sutdents is: " << total << endl;
}

Visual Studio 会提示如下错误，也就是值传递的变量不可以被修改，所以需要将total++; 删掉或移出 lambda 函数。

02_capture_by_value_error

3.1.3 不捕获

空 capture 子句 [] 指示 lambda 表达式的主体不访问封闭范围内的变量。

如果将上述代码中代表值传递的=去掉，就是空 capture 子句：

示例 3.1.3:

void CaptureDefault()
{
    int total = 20;
    auto func = []() {
        cout << "The total num of sutdents is: " << total << endl;
    };

    func();

    cout << "Now, the total number of sutdents is: " << total << endl;
}

此代码会报如下错误封闭函数局部变量不能在lambda体内引用，除非其位于捕获列表中。

03_capture_default_error1

假如我们把 total 放入参数列表中，情况如何？

示例 3.1.4：

void CaptureDefault()
{
    int total = 20;
    auto func = [](int total) {
        cout << "The total num of sutdents is: " << total << endl;

        cout << "There comes a new student. " << endl;
        total++;    
        cout << "Now, the total number of sutdents is: " << total << endl;
    };

    func(20);

    cout << "Actually, the total number of sutdents is: " << total << endl;
}

运行结果为：

=========== CaptureDefault test =============
The total num of sutdents is: 20
There comes a new student.
Now, the total number of sutdents is: 21
Actually, the total number of sutdents is: 20

可以看到：虽然参数列表和外部的 total 同名，但是匿名函数并未改变外部 total 的值，这和全局变量与局部变量的差别类似。

3.1.4 捕获方式总结

通过以上示例，基本的捕获方式已经介绍完毕，我们来总结一下：

捕获方式	说明
[]	不捕获任何外部变量
[x1, x2, …]	默认以值捕获的方式捕获指定外部变量 x1, x2, …
[&x1, &x2, …]	以引用捕获的方式捕获指定外部变量x1, x2, …
[this]	以值捕获的方式捕获this指针
[=]	以值捕获的方式捕获所有外部变量
[&]	以引用捕获的方式捕获所有外部变量
[=, &x]	外部变量x以引用捕获方式捕获，其余变量以值捕获的方式捕获
[&, x]	外部变量x以值捕获方式捕获，其余变量以引用捕获的方式捕获

3.2 参数列表

Lambda表达式的参数和普通函数的参数类似，但是在 Lambda 表达式中传递参数还有一些限制，主要有以下几点：

参数列表中不能有默认参数（C++14 起， lambda 能拥有自身的默认参数）
不支持可变参数
所有参数必须有参数名

虽然参数列表中不支持默认参数，但是可以通过 lambda 函数体后面加一个小括号，在小括号中指定默认值。

void ParamList()
{
    // 指定参数值
    cout << "The total number of sutdents is: " << [](int total) -> int {return total; } (20) << endl;
}

执行结果为：

The total number of sutdents is: 20

3.3 可变规范

通常情况下，lambda 的函数调用运算符是常量的值，但使用的 mutable 关键字就可以改变其值。它不会生成可变的数据成员。利用可变规范，lambda 表达式的主体可以修改通过值捕获的变量。

示例3.1.2 中在 lambda 函数体内对值捕获的外部变量进行修改会提示错误，我们可以通过加入 mutable 关键字来解决。

示例 3.3.1

void MutableSpecifier()
{
    int total = 20;
    auto func = [=]() mutable {
        cout << "The total number of sutdents is: " << total << endl;

        cout << "There comes a new student. " << endl;
        total++;
        cout << "Now, the total number of sutdents is: " << total << endl;
    };

    func();

    cout << "Actually, the total number of sutdents is: " << total << endl;
}

执行结果：

The total number of sutdents is: 20
There comes a new student.
Now, the total number of sutdents is: 21
Actually, the total number of sutdents is: 20

从输出结果可以看出，加上 mutable 关键字之后，在 lambda 函数体内可以对外部变量进行修改，但是其修改的有效作用域限制于函数体内，在函数体外部该变量并没有修改。

3.4 异常规范

为闭包类型的 operator() 提供异常规定(https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/except_spec)或 noexcept 子句(https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/noexcept_spec)。

3.5 返回类型

Lambda 表达式的返回类型是自动推导的。如果不指定返回类型，可以使用 auto 关键字。 trailing-return-type 类似于普通方法或函数的返回类型部分。但是，返回类型必须跟在参数列表的后面，你必须在返回类型前面包含 trailing-return-type 关键字 ->。

如果 lambda 函数体仅包含一个返回语句或其表达式不返回值，则可以省略 lambda 表达式的返回类型部分。如果 lambda 函数体包含单个返回语句，编译器将从返回表达式的类型推导返回类型。否则，编译器会推导返回类型为void。

3.6 函数体

Lambda 函数体可以包含普通方法或函数的主体可以包含的任何内容。普通函数和 lambda 表达式的主体均可访问以下变量类型：

从封闭范围捕获变量
参数
本地声明变量
当在类中声明类数据成员，this 可以被捕获
具有静态存储持续时间的任何变量（例如，全局变量）

4. 嵌套 Lambda 表达式

Lambda 表达式可以嵌套以实现复杂的应用场景。

示例 4.1:

void NestedLambda()
{
    auto result = [](int x) { 
        return [](int y) { 
            return y * 2; 
        }(x)+3; 
    }(5);

    cout << "result: " << result << endl;
}