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C++11 新特性之Lambda函数(匿名函数)

2019年08月24日 编程语言 ⁄ 共 5092字 ⁄ 字号 评论关闭

声明:本文参考了Alex Allain的文章http://www.cprogramming.com/c++11/c++11-lambda-closures.html

加入了自己的理解,不是简单的翻译

C++11终于知道要在语言中加入匿名函数了。匿名函数在很多时候可以为编码提供便利,这在下文会提到。很多语言中的匿名函数,如C++,都是用Lambda表达式实现的。Lambda表达式又称为lambda函数。我在下文中称之为Lambda函数。

为了明白Lambda函数的用处,请务必先搞明白C++中的自动类型推断:http://blog.csdn.net/kaitiren/article/details/22302767

基本的Lambda函数

我们可以这样定义一个Lambda函数:
  1. #include <iostream>  
  2.   
  3. using namespace std;  
  4.   
  5. int main()  
  6. {  
  7.     auto func = [] () { cout << "Hello world"; };  
  8.     func(); // now call the function  
  9. }  

其中func就是一个lambda函数。我们使用auto来自动获取func的类型,这个非常重要。定义好lambda函数之后,就可以当这场函数来使用了。

其中 [ ] 表示接下来开始定义lambda函数,中括号中间有可能还会填参数,这在后面介绍。之后的()填写的是lambda函数的参数列表{}中间就是函数体了。
正常情况下,只要函数体中所有return都是同一个类型的话,编译器就会自行判断函数的返回类型。也可以显示地指定lambda函数的返回类型。这个需要用到函数返回值后置的功能,比如这个例子:

  1. [] () -> int { return 1; }  
所以总的来说lambda函数的形式就是:
  1. [captures] (params) -> ret {Statments;}  

Lambda函数的用处

假设你设计了一个地址簿的类。现在你要提供函数查询这个地址簿,可能根据姓名查询,可能根据地址查询,还有可能两者结合。要是你为这些情况都写个函数,那么你一定就跪了。所以你应该提供一个接口,能方便地让用户自定义自己的查询方式。在这里可以使用lambda函数来实现这个功能。
  1. #include <string>  
  2. #include <vector>  
  3.   
  4. class AddressBook  
  5. {  
  6.     public:  
  7.     // using a template allows us to ignore the differences between functors, function pointers   
  8.     // and lambda  
  9.     template<typename Func>  
  10.     std::vector<std::string> findMatchingAddresses (Func func)  
  11.     {   
  12.         std::vector<std::string> results;  
  13.         for ( auto itr = _addresses.begin(), end = _addresses.end(); itr != end; ++itr )  
  14.         {  
  15.             // call the function passed into findMatchingAddresses and see if it matches  
  16.             if ( func( *itr ) )  
  17.             {  
  18.                 results.push_back( *itr );  
  19.             }  
  20.         }  
  21.         return results;  
  22.     }  
  23.   
  24.     private:  
  25.     std::vector<std::string> _addresses;  
  26. };  

从上面代码可以看到,findMatchingAddressses函数提供的参数是Func类型,这是一个泛型类型。在使用过程中应该传入一个函数,然后分别对地址簿中每一个entry执行这个函数,如果返回值为真那么表明这个entry符合使用者的筛选要求,那么就应该放入结果当中。那么这个Func类型的参数如何传入呢?

  1. AddressBook global_address_book;  
  2.   
  3. vector<string> findAddressesFromOrgs ()  
  4. {  
  5.     return global_address_book.findMatchingAddresses(   
  6.         // we're declaring a lambda here; the [] signals the start  
  7.         [] (const string& addr) { return addr.find( ".org" ) != string::npos; }   
  8.     );  
  9. }  

可以看到,我们在调用函数的时候直接定义了一个lambda函数。参数类型是

  1. const string& addr  
返回值是bool类型。
如果用户要使用不同的方式查询的话,只要定义不同的lambda函数就可以了。

Lambda函数中的变量截取

在上述例子中,lambda函数使用的都是函数体的参数和它内部的信息,并没有使用外部信息。我们设想这样的一个场景,我们从键盘读入一个名字,然后用lambda函数定义一个匿名函数,在地址簿中查找有没有相同名字的人。那么这个lambda函数势必就要能使用外部block中的变量,所以我们就得使用变量截取功能(Variable Capture)。
  1. // read in the name from a user, which we want to search  
  2. string name;  
  3. cin>> name;  
  4. return global_address_book.findMatchingAddresses(   
  5.     // notice that the lambda function uses the the variable 'name'  
  6.     [&] (const string& addr) { return name.find( addr ) != string::npos; }   
  7. );  

从上述代码看出,我们的lambda函数已经能使用外部作用域中的变量name了。这个lambda函数一个最大的区别是[]中间加入了&符号。这就告诉了编译器,要进行变量截取。这样lambda函数体就可以使用外部变量。如果不加入任何符号,编译器就不会进行变量截取。

下面是各种变量截取的选项:
  • [] 不截取任何变量
  • [&} 截取外部作用域中所有变量,并作为引用在函数体中使用
  • [=] 截取外部作用域中所有变量,并拷贝一份在函数体中使用
  • [=, &foo]   截取外部作用域中所有变量,并拷贝一份在函数体中使用,但是对foo变量使用引用
  • [bar]   截取bar变量并且拷贝一份在函数体重使用,同时不截取其他变量
  • [this]            截取当前类中的this指针。如果已经使用了&或者=就默认添加此选项。

Lambda函数和STL



lambda函数的引入为STL的使用提供了极大的方便。比如下面这个例子,当你想便利一个vector的时候,原来你得这么写:

  1. vector<int> v;  
  2. v.push_back( 1 );  
  3. v.push_back( 2 );  
  4. //...  
  5. for ( auto itr = v.begin(), end = v.end(); itr != end; itr++ )  
  6. {  
  7.     cout << *itr;  
  8. }  

现在有了lambda函数你就可以这么写

  1. vector<int> v;  
  2. v.push_back( 1 );  
  3. v.push_back( 2 );  
  4. //...  
  5. for_each( v.begin(), v.end(), [] (int val)  
  6. {  
  7.     cout << val;  
  8. } );  

而且这么写了之后执行效率反而提高了。因为编译器有可能使用”循环展开“来加速执行过程(计算机系统结构课程中学的)。
http://www.nwcpp.org/images/stories/lambda.pdf 这个PPT详细介绍了如何使用lambda表达式和STL

给大家写一个例子:

C++11 的 lambda 表达式规范如下:

[ capture ] ( params ) mutable exception attribute -> ret { body } (1)  
[ capture ] ( params ) -> ret { body } (2)  
[ capture ] ( params ) { body } (3)  
[ capture ] { body } (4)  

其中

  • (1) 是完整的 lambda 表达式形式,
  • (2) const 类型的 lambda 表达式,该类型的表达式不能改捕获("capture")列表中的值。
  • (3)省略了返回值类型的 lambda 表达式,但是该 lambda 表达式的返回类型可以按照下列规则推演出来:
    • 如果 lambda 代码块中包含了 return 语句,则该 lambda 表达式的返回类型由 return 语句的返回类型确定。
    • 如果没有 return 语句,则类似 void f(...) 函数。
  • 省略了参数列表,类似于无参函数 f()。

mutable 修饰符说明 lambda 表达式体内的代码可以修改被捕获的变量,并且可以访问被捕获对象的 non-const 方法。

exception 说明 lambda 表达式是否抛出异常(noexcept),以及抛出何种异常,类似于void f() throw(X,
Y)

attribute 用来声明属性。

另外,capture 指定了在可见域范围内 lambda 表达式的代码内可见得外部变量的列表,具体解释如下:

  • [a,&b] a变量以值的方式呗捕获,b以引用的方式被捕获。
  • [this] 以值的方式捕获 this 指针。
  • [&] 以引用的方式捕获所有的外部自动变量。
  • [=] 以值的方式捕获所有的外部自动变量。
  • [] 不捕获外部的任何变量。

此外,params 指定 lambda 表达式的参数。

一个具体的 C++11 lambda 表达式例子:

复制代码
#include <vector>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <functional>
 
int main()
{
    std::vector<int> c { 1,2,3,4,5,6,7 };
    int x = 5;
    c.erase(std::remove_if(c.begin(), c.end(), [x](int n) { return n < x; } ), c.end());
 
    std::cout << "c: ";
    for (auto i: c) {
        std::cout << i << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
 
    // the type of a closure cannot be named, but can be inferred with auto
    auto func1 = [](int i) { return i+4; };
    std::cout << "func1: " << func1(6) << '\n'; 
 
    // like all callable objects, closures can be captured in std::function
    // (this may incur unnecessary overhead)
    std::function<int(int)> func2 = [](int i) { return i+4; };
    std::cout << "func2: " << func2(6) << '\n'; 
}
复制代码

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