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C++11 lambda表达式精讲

lambda 表达式是 C++11 最重要也最常用的一个特性之一,C# 3.5 和 Java 8 中就引入了 lambda 表达式。

lambda 来源于函数式编程的概念,也是现代编程语言的一个特点。C++11 这次终于把 lambda 加进来了。

lambda表达式有如下优点:
  • 声明式编程风格:就地匿名定义目标函数或函数对象,不需要额外写一个命名函数或者函数对象。以更直接的方式去写程序,好的可读性和可维护性。
  • 简洁:不需要额外再写一个函数或者函数对象,避免了代码膨胀和功能分散,让开发者更加集中精力在手边的问题,同时也获取了更高的生产率。
  • 在需要的时间和地点实现功能闭包,使程序更灵活。

下面,先从 lambda 表达式的基本功能开始介绍它。

lambda 表达式的概念和基本用法

lambda 表达式定义了一个匿名函数,并且可以捕获一定范围内的变量。lambda 表达式的语法形式可简单归纳如下:

[ capture ] ( params ) opt -> ret { body; };

其中 capture 是捕获列表,params 是参数表,opt 是函数选项,ret 是返回值类型,body是函数体。

因此,一个完整的 lambda 表达式看起来像这样:
auto f = [](int a) -> int { return a + 1; };
std::cout << f(1) << std::endl;  // 输出: 2
可以看到,上面通过一行代码定义了一个小小的功能闭包,用来将输入加 1 并返回。

在 C++11 中,lambda 表达式的返回值是通过前面介绍的《C++返回值类型后置》语法来定义的。其实很多时候,lambda 表达式的返回值是非常明显的,比如这个例子。因此,C++11 中允许省略 lambda 表达式的返回值定义:

auto f = [](int a){ return a + 1; };

这样编译器就会根据 return 语句自动推导出返回值类型。

需要注意的是,初始化列表不能用于返回值的自动推导:

auto x1 = [](int i){ return i; };  // OK: return type is int
auto x2 = [](){ return { 1, 2 }; };  // error: 无法推导出返回值类型

这时我们需要显式给出具体的返回值类型。

另外,lambda 表达式在没有参数列表时,参数列表是可以省略的。因此像下面的写法都是正确的:

auto f1 = [](){ return 1; };
auto f2 = []{ return 1; };  // 省略空参数表

使用 lambda 表达式捕获列表

lambda 表达式还可以通过捕获列表捕获一定范围内的变量:
  • [] 不捕获任何变量。
  • [&] 捕获外部作用域中所有变量,并作为引用在函数体中使用(按引用捕获)。
  • [=] 捕获外部作用域中所有变量,并作为副本在函数体中使用(按值捕获)。
  • [=,&foo] 按值捕获外部作用域中所有变量,并按引用捕获 foo 变量。
  • [bar] 按值捕获 bar 变量,同时不捕获其他变量。
  • [this] 捕获当前类中的 this 指针,让 lambda 表达式拥有和当前类成员函数同样的访问权限。如果已经使用了 & 或者 =,就默认添加此选项。捕获 this 的目的是可以在 lamda 中使用当前类的成员函数和成员变量。

下面看一下它的具体用法,如下所示。

【实例】lambda 表达式的基本用法。
class A
{
    public:
    int i_ = 0;
    void func(int x, int y)
    {
        auto x1 = []{ return i_; };                    // error,没有捕获外部变量
        auto x2 = [=]{ return i_ + x + y; };           // OK,捕获所有外部变量
        auto x3 = [&]{ return i_ + x + y; };           // OK,捕获所有外部变量
        auto x4 = [this]{ return i_; };                // OK,捕获this指针
        auto x5 = [this]{ return i_ + x + y; };        // error,没有捕获x、y
        auto x6 = [this, x, y]{ return i_ + x + y; };  // OK,捕获this指针、x、y
        auto x7 = [this]{ return i_++; };              // OK,捕获this指针,并修改成员的值
    }
};
int a = 0, b = 1;
auto f1 = []{ return a; };               // error,没有捕获外部变量
auto f2 = [&]{ return a++; };            // OK,捕获所有外部变量,并对a执行自加运算
auto f3 = [=]{ return a; };              // OK,捕获所有外部变量,并返回a
auto f4 = [=]{ return a++; };            // error,a是以复制方式捕获的,无法修改
auto f5 = [a]{ return a + b; };          // error,没有捕获变量b
auto f6 = [a, &b]{ return a + (b++); };  // OK,捕获a和b的引用,并对b做自加运算
auto f7 = [=, &b]{ return a + (b++); };  // OK,捕获所有外部变量和b的引用,并对b做自加运算
从上例中可以看到,lambda 表达式的捕获列表精细地控制了 lambda 表达式能够访问的外部变量,以及如何访问这些变量。

需要注意的是,默认状态下 lambda 表达式无法修改通过复制方式捕获的外部变量。如果希望修改这些变量的话,我们需要使用引用方式进行捕获。

一个容易出错的细节是关于 lambda 表达式的延迟调用的:
int a = 0;
auto f = [=]{ return a; };      // 按值捕获外部变量
a += 1;                         // a被修改了
std::cout << f() << std::endl;  // 输出?
在这个例子中,lambda 表达式按值捕获了所有外部变量。在捕获的一瞬间,a 的值就已经被复制到f中了。之后 a 被修改,但此时 f 中存储的 a 仍然还是捕获时的值,因此,最终输出结果是 0。

如果希望 lambda 表达式在调用时能够即时访问外部变量,我们应当使用引用方式捕获。

从上面的例子中我们知道,按值捕获得到的外部变量值是在 lambda 表达式定义时的值。此时所有外部变量均被复制了一份存储在 lambda 表达式变量中。此时虽然修改 lambda 表达式中的这些外部变量并不会真正影响到外部,我们却仍然无法修改它们。

那么如果希望去修改按值捕获的外部变量应当怎么办呢?这时,需要显式指明 lambda 表达式为 mutable:
int a = 0;
auto f1 = [=]{ return a++; };             // error,修改按值捕获的外部变量
auto f2 = [=]() mutable { return a++; };  // OK,mutable
需要注意的一点是,被 mutable 修饰的 lambda 表达式就算没有参数也要写明参数列表。

lambda 表达式的类型

最后,介绍一下 lambda 表达式的类型。

lambda 表达式的类型在 C++11 中被称为“闭包类型(Closure Type)”。它是一个特殊的,匿名的非 nunion 的类类型。

因此,我们可以认为它是一个带有 operator() 的类,即仿函数。因此,我们可以使用 std::function 和 std::bind 来存储和操作 lambda 表达式:
std::function<int(int)>  f1 = [](int a){ return a; };
std::function<int(void)> f2 = std::bind([](int a){ return a; }, 123);
另外,对于没有捕获任何变量的 lambda 表达式,还可以被转换成一个普通的函数指针:
using func_t = int(*)(int);
func_t f = [](int a){ return a; };
f(123);
lambda 表达式可以说是就地定义仿函数闭包的“语法糖”。它的捕获列表捕获住的任何外部变量,最终均会变为闭包类型的成员变量。而一个使用了成员变量的类的 operator(),如果能直接被转换为普通的函数指针,那么 lambda 表达式本身的 this 指针就丢失掉了。而没有捕获任何外部变量的 lambda 表达式则不存在这个问题。

这里也可以很自然地解释为何按值捕获无法修改捕获的外部变量。因为按照 C++ 标准,lambda 表达式的 operator() 默认是 const 的。一个 const 成员函数是无法修改成员变量的值的。而 mutable 的作用,就在于取消 operator() 的 const。

需要注意的是,没有捕获变量的 lambda 表达式可以直接转换为函数指针,而捕获变量的 lambda 表达式则不能转换为函数指针。看看下面的代码:
typedef void(*Ptr)(int*);
Ptr p = [](int* p){delete p;};  // 正确,没有状态的lambda(没有捕获)的lambda表达式可以直接转换为函数指针
Ptr p1 = [&](int* p){delete p;};  // 错误,有状态的lambda不能直接转换为函数指针
上面第二行代码能编译通过,而第三行代码不能编译通过,因为第三行的代码捕获了变量,不能直接转换为函数指针。

声明式的编程风格,简洁的代码

就地定义匿名函数,不再需要定义函数对象,大大简化了标准库算法的调用。比如,在 C++11 之前,我们要调用 for_each 函数将 vector 中的偶数打印出来,如下所示。

【实例】lambda 表达式代替函数对象的示例。
class CountEven
{
    int& count_;
public:
    CountEven(int& count) : count_(count) {}
    void operator()(int val)
    {
        if (!(val & 1))       // val % 2 == 0
        {
            ++ count_;
        }
    }
};
std::vector<int> v = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
int even_count = 0;
for_each(v.begin(), v.end(), CountEven(even_count));
std::cout << "The number of even is " << even_count << std::endl;
这样写既烦琐又容易出错。有了 lambda 表达式以后,我们可以使用真正的闭包概念来替换掉这里的仿函数,代码如下:
std::vector<int> v = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
int even_count = 0;
for_each( v.begin(), v.end(), [&even_count](int val)
        {
            if (!(val & 1))  // val % 2 == 0
            {
                ++ even_count;
            }
        });
std::cout << "The number of even is " << even_count << std::endl;
lambda 表达式的价值在于,就地封装短小的功能闭包,可以极其方便地表达出我们希望执行的具体操作,并让上下文结合得更加紧密。

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