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C++11 lambda匿名函数用法详解

lambda 源自希腊字母表中第 11 位的 λ,在计算机科学领域,它则是被用来表示一种匿名函数。所谓匿名函数,简单地理解就是没有名称的函数,又常被称为 lambda 函数或者 lambda 表达式。

继 Python、Java、C#、PHP 等众多高级编程语言都支持 lambda 匿名函数后,C++11 标准终于引入了 lambda,本节将带领大家系统地学习 lambda 表达式的具体用法。

lambda匿名函数的定义

定义一个 lambda 匿名函数很简单,可以套用如下的语法格式:

[外部变量访问方式说明符] (参数) mutable noexcept/throw() -> 返回值类型
{
   函数体;
};

其中各部分的含义分别为:

1) [外部变量方位方式说明符]
[ ] 方括号用于向编译器表明当前是一个 lambda 表达式,其不能被省略。在方括号内部,可以注明当前 lambda 函数的函数体中可以使用哪些“外部变量”。

所谓外部变量,指的是和当前 lambda 表达式位于同一作用域内的所有局部变量。

2) (参数)
和普通函数的定义一样,lambda 匿名函数也可以接收外部传递的多个参数。和普通函数不同的是,如果不需要传递参数,可以连同 () 小括号一起省略;

3) mutable
此关键字可以省略,如果使用则之前的 () 小括号将不能省略(参数个数可以为 0)。默认情况下,对于以值传递方式引入的外部变量,不允许在 lambda 表达式内部修改它们的值(可以理解为这部分变量都是 const 常量)。而如果想修改它们,就必须使用 mutable 关键字。

注意,对于以值传递方式引入的外部变量,lambda 表达式修改的是拷贝的那一份,并不会修改真正的外部变量;

4) noexcept/throw()
可以省略,如果使用,在之前的 () 小括号将不能省略(参数个数可以为 0)。默认情况下,lambda 函数的函数体中可以抛出任何类型的异常。而标注 noexcept 关键字,则表示函数体内不会抛出任何异常;使用 throw() 可以指定 lambda 函数内部可以抛出的异常类型。

值得一提的是,如果 lambda 函数标有 noexcept 而函数体内抛出了异常,又或者使用 throw() 限定了异常类型而函数体内抛出了非指定类型的异常,这些异常无法使用 try-catch 捕获,会导致程序执行失败(本节后续会给出实例)。

5) -> 返回值类型
指明 lambda 匿名函数的返回值类型。值得一提的是,如果 lambda 函数体内只有一个 return 语句,或者该函数返回 void,则编译器可以自行推断出返回值类型,此情况下可以直接省略-> 返回值类型

6) 函数体
和普通函数一样,lambda 匿名函数包含的内部代码都放置在函数体中。该函数体内除了可以使用指定传递进来的参数之外,还可以使用指定的外部变量以及全局范围内的所有全局变量。

需要注意的是,外部变量会受到以值传递还是以引用传递方式引入的影响,而全局变量则不会。换句话说,在 lambda 表达式内可以使用任意一个全局变量,必要时还可以直接修改它们的值。

其中,红色标识的参数是定义 lambda 表达式时必须写的,而绿色标识的参数可以省略。

比如,如下就定义了一个最简单的 lambda 匿名函数:

[]{}

显然,此 lambda 匿名函数未引入任何外部变量([] 内为空),也没有传递任何参数,没有指定 mutable、noexcept 等关键字,没有返回值和函数体。所以,这是一个没有任何功能的 lambda 匿名函数。

lambda匿名函数中的[外部变量]

对于 lambda 匿名函数的使用,令多数初学者感到困惑的就是 [外部变量] 的使用。其实很简单,无非表 1 所示的这几种编写格式。

表 1 [外部变量]的定义方式
外部变量格式 功能
[] 空方括号表示当前 lambda 匿名函数中不导入任何外部变量。
[=] 只有一个 = 等号,表示以值传递的方式导入所有外部变量;
[&] 只有一个 & 符号,表示以引用传递的方式导入所有外部变量;
[val1,val2,...] 表示以值传递的方式导入 val1、val2 等指定的外部变量,同时多个变量之间没有先后次序;
[&val1,&val2,...] 表示以引用传递的方式导入 val1、val2等指定的外部变量,多个变量之间没有前后次序;
[val,&val2,...] 以上 2 种方式还可以混合使用,变量之间没有前后次序。
[=,&val1,...] 表示除 val1 以引用传递的方式导入外,其它外部变量都以值传递的方式导入。
[this] 表示以值传递的方式导入当前的 this 指针。

 注意,单个外部变量不允许以相同的传递方式导入多次。例如 [=,val1] 中,val1 先后被以值传递的方式导入了 2 次,这是非法的。

【例 1】lambda 匿名函数的定义和使用。
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    int num[4] = {4, 2, 3, 1};
    //对 a 数组中的元素进行排序
    sort(num, num+4, [=](int x, int y) -> bool{ return x < y; } );
    for(int n : num){
        cout << n << " ";
    }
    return 0;
}
程序执行结果为:

1 2 3 4

程序第 9 行通过调用 sort() 函数实现了对 num 数组中元素的升序排序,其中就用到了 lambda 匿名函数。而如果使用普通函数,需以如下代码实现:
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
//自定义的升序排序规则
bool sort_up(int x,int y){
return  x < y;
}

int main()
{
    int num[4] = {4, 2, 3, 1};
    //对 a 数组中的元素进行排序
    sort(num, num+4, sort_up);
    for(int n : num){
        cout << n << " ";
    }
    return 0;
}
此程序中 sort_up() 函数的功能和上一个程序中的 lambda 匿名函数完全相同。显然在类似的场景中,使用 lambda 匿名函数更有优势。

除此之外,虽然 lambda 匿名函数没有函数名称,但我们仍可以为其手动设置一个名称,比如:
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    //display 即为 lambda 匿名函数的函数名
    auto display = [](int a,int b) -> void{cout << a << " " << b;};
    //调用 lambda 函数
    display(10,20);
    return 0;
}
程序执行结果为:

10 20

可以看到,程序中使用 auto 关键字为 lambda 匿名函数设定了一个函数名,由此我们即可在作用域内调用该函数。

【例 2】值传递和引用传递的区别
#include <iostream>
using namespace std;
//全局变量
int all_num = 0;
int main()
{
    //局部变量
    int num_1 = 1;
    int num_2 = 2;
    int num_3 = 3;
    cout << "lambda1:\n";
    auto lambda1 = [=]{
        //全局变量可以访问甚至修改
        all_num = 10;
        //函数体内只能使用外部变量,而无法对它们进行修改
        cout << num_1 << " "
             << num_2 << " "
             << num_3 << endl;
    };
    lambda1();
    cout << all_num <<endl;

    cout << "lambda2:\n";
    auto lambda2 = [&]{
        all_num = 100;
        num_1 = 10;
        num_2 = 20;
        num_3 = 30;
        cout << num_1 << " "
             << num_2 << " "
             << num_3 << endl;
    };
    lambda2();
    cout << all_num << endl;
    return 0;
}
程序执行结果为:

lambda1:
1 2 3
10
lambda2:
10 20 30
100

可以看到,在创建 lambda1 和 lambda2 匿名函数的作用域中,有 num_1、num_2 和 num_3 这 3 个局部变量,另外还有 all_num 全局变量。

其中,lambda1 匿名函数是以 [=] 值传递的方式导入的局部变量,这意味着默认情况下,此函数内部无法修改这 3 个局部变量的值,但全局变量 all_num 除外。相对地,lambda2 匿名函数以 [&] 引用传递的方式导入这 3 个局部变量,因此在该函数的内部不就可以访问这 3 个局部变量,还可以任意修改它们。同样,也可以访问甚至修改全局变量。

感兴趣的读者,可自行尝试在 lambda1 匿名函数中修改 num_1、num_2 或者 num_3 的值,观察编译器的报错信息。

当然,如果我们想在 lambda1 匿名函数的基础上修改外部变量的值,可以借助 mutable 关键字,例如:
auto lambda1 = [=]() mutable{
    num_1 = 10;
    num_2 = 20;
    num_3 = 30;
    //函数体内只能使用外部变量,而无法对它们进行修改
    cout << num_1 << " "
         << num_2 << " "
         << num_3 << endl;
};
由此,就可以在 lambda1 匿名函数中修改外部变量的值。但需要注意的是,这里修改的仅是 num_1、num_2、num_3 拷贝的那一份的值,真正外部变量的值并不会发生改变。

【例 3】执行抛出异常类型
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    auto except = []()throw(int) {
        throw 10;
    };
    try {
        except();
    }
    catch (int) {
        cout << "捕获到了整形异常";
    }
    return 0;
}
程序执行结果为:

捕获到了整形异常

可以看到,except 匿名数组中指定函数体中可以抛出整形异常,因此当函数体中真正发生整形异常时,可以借助 try-catch 块成功捕获并处理。

在此基础上,在看一下反例:
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    auto except1 = []()noexcept{
        throw 100;
    };

    auto except2 = []()throw(char){
        throw 10;
    };
    try{
        except1();
        except2();
    }catch(int){
        cout << "捕获到了整形异常"<< endl;
    }

    return 0;
}
此程序运行会直接崩溃,原因很简单,except1 匿名函数指定了函数体中不发生任何异常,但函数体中却发生了整形异常;except2 匿名函数指定函数体可能会发生字符异常,但函数体中却发生了整形异常。由于指定异常类型和真正发生的异常类型不匹配,导致 try-catch 无法捕获,最终程序运行崩溃。

如果不使用 noexcept 或者 throw(),则 lambda 匿名函数的函数体中允许发生任何类型的异常。

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