Lambda表达式

Posted 2020-07-18

很多高级语言里引入了lambda表达式的概念，即匿名函数。以往C++需要传入一个函数的时候，必须事先进行声明，视情况可以声明为一个普通函数然后传入函数指针，或者声明一个funtor，然后传入一个对象。
但这种传统方法太过复杂，一个简单的遍历输出就需要声明一个类或者函数，本来用于简化语法的东西却使语法大大复杂化。
比如一个用随机数填充数组的例子：
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <iterator>
#include <algorithm>
using namespace std;

class mi_rand

{
?
    public:
?
        mi_rand (int start_pos, int end_pos)
?
        : a(start_pos), b(end_pos)
?
        {}

?
        unsigned operator () ()
?
        {
?
            return rand() % (b-a+1) + a;
?
        }

?
    private:
?
        int a, b;
};

int main()
{
?
    const int SIZE = 20;
?
    int array[SIZE];
?
    generate_n (array, SIZE, mi_rand (1, 30));
?
   
?
    copy (array, array + SIZE,
?
          ostream_iterator<int> (cout, " "));
?
    cout << endl;
?
   
?
    return 0;
}
示例中，generate_n的目的是使填充数组的操作简单化，但为了这种简单化却要额外声明一个类。输出数组时利用STL的确能进行语法上的简化，但是这种简化却要求对STL非常了解，而且拓展性非常差。
所幸，在c++0x标准中终于引入了lambda表达式，目前 VS 2010 和 g++ 4.5 已经进行了试验性的实现。针对上面的填充和输出操作，下面是使用lambda表达式的简化版：
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
?
    const int SIZE = 20;
?
    int array[SIZE];
?
    generate_n (array, SIZE,
?
                [] () { return rand() % 30 + 1; });

?
    for_each (array, array + SIZE,
?
              [] (int a){ cout << a << " "; });
?
   
?
    return 0;
}

编译时需要注意的是，VS要求版本在2010以上，编译时需要加上 /EHsc 参数。使用g++编译的话版本要在版本4.5以上，并加上 --std=c++0x 参数。
g++目前（10年八月）的最新版本为4.51，你可以到 http://gcc.gnu.org/自行下载编译。ubuntu下可以通过 PPA for Ubuntu Toolchain Hackers直接安装二进制版本。

下面将阐述lambda表达式的语法，内容主要参考自 Lambda Expression Syntax。
如图，lambda表达式由下面几个部分构成：

lambda-introducer （捕获字段）
lambda-parameter-declaration-list （变量列表）
mutable-specification （捕获的变量可否修改）
exception-specification （异常设定）
lambda-return-type-clause （返回类型）
compound-statement （函数体）
外部变量的捕获规则
默认情况下，即捕获字段为 [] 时，lambda表达式是不能访问任何外部变量的，即表达式的函数体内无法访问当前作用域下的变量。
如果要设定表达式能够访问外部变量，可以在 [] 内写入 & 或者 = 加上变量名，其中 & 表示按引用访问，= 表示按值访问，变量之间用逗号分隔，比如 [=factor, &total] 表示按值访问变量 factor，而按引用访问 total。
不加变量名时表示设置默认捕获字段，外部变量将按照默认字段获取，后面在书写变量名时不加符号表示按默认字段设置，比如下面三条字段都是同一含义：
[&total, factor]
[&, factor]
[=, &total]
参数列表
lambda表达式的参数列表基本和函数的一致，不过有如下限制：
参数列表不能有默认参数
不能是可变参数列表
所有的参数必须有个变量名
如果你不提供 mutable-specification, exception-specification, 以及 lambda-return-type-clause，参数列表是也可以省略的。如下面的表达式：
int main()
{
?
   int x = 4;
?
   int y = 5;
?
   int z = [=] { return x + y; }();
}
能否修改捕获的变量
如果在参数列表后加上了 mutable，则表示表达式可以修改按值捕获的外部变量的拷贝。
异常设置
和函数一样，可以用 throw 来限定表达式能够抛出哪些异常。
返回类型
如果设置返回类型，你需要在类型名前面加上 ->。如果你只有一个返回语句的话，返回类型可以省略，编译器将会为你做出判断。
函数体
lambda表达式的函数体和普通函数大致相同。

下面是lambda表达式的几个完整例子：
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

// The number of elements in the vector.
const int elementCount = 9;

int main()
{
?
   // Create a vector object with each element set to 1.
?
   vector<int> v(elementCount, 1);

?
   // These variables hold the previous two elements of the vector.
?
   int x = 1;
?
   int y = 1;

?
   // Assign each element in the vector to the sum of the
?
   // previous two elements.
?
   generate_n(v.begin() + 2, elementCount - 2, [=]() mutable throw() -> int {
?
     
?
      // Generate current value.
?
      int n = x + y;

?
      // Update previous two values.
?
      x = y;
?
      y = n;

?
      return n;
?
   });

?
   // Print the contents of the vector.
?
   for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
?
   cout << endl;

?
   // Print the local variables x and y.
?
   // The values of x and y hold their initial values because
?
   // they are captured by value.
?
   cout << x << " " << y << endl;
}
#include <functional>

int main()
{
?
   // Assign the lambda expression that adds two numbers to an auto variable.
?
   auto f1 = [] (int x, int y) { return x + y; };

?
   // Assign the same lambda expression to a function object.
?
   using namespace std::tr1;
?
   function<int (int, int)> f2 = [] (int x, int y) { return x + y; };
}

更多例子请参阅 Examples of Lambda Expressions，本文的数个例子也多来源于此。