【C++杂货铺】C++11新特性——lambda

一、C++98中的排序

在 C++98 中，如果要对一个数据集合中的元素进行排序，可以使用 std::sort 方法，下面代码是对一个整型集合进行排序。

#include <algorithm>
#include <functional>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int array[] = { 4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 }; 
	cout << "原始数组：";
	for (auto e : array)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "排升序：";
	// 默认按照小于比较，排出来结果是升序
	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	for (auto e : array)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "排降序：";
	// 如果需要降序，需要改变元素的比较规则
	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), greater<int>());

	for (auto e : array)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	return 0;
}

小Tips：上面的 greater 是一个仿函数，这里传递仿函数是用来控制大小比较的。关于仿函数，在前面的文章中已经多次使用，在【C++杂货铺】优先级队列的使用指南与模拟实现一文中，我们使用仿函数来进行大小比较；在【C++杂货铺】一文带你走进哈希：哈希冲突 | 哈希函数 | 闭散列 | 开散列一文中，我们使用仿函数来获取 pair<K, V> 模型中的 key。总之，仿函数有着十分强大的功能。

如果待排序的元素为自定义类型，由于自定义类型中可能有多重不同的属性，因此需要用户自己来定义排序时的比较规则：

struct Goods
{
	string _name;  // 名字
	double _price; // 价格
	int _evaluate; // 评价
	Goods(const char* str, double price, int evaluate)
		:_name(str)
		, _price(price)
		, _evaluate(evaluate)
	{}
};

ostream& operator<<(ostream& out, Goods& goods)
{
	out << goods._name << '-' << goods._price << '-' << goods._evaluate;

	return out;
}

struct ComparePriceLess
{
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
	{
		return gl._price < gr._price;
	}
};
struct ComparePriceGreater
{
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
	{
		return gl._price > gr._price;
	}
};

struct CompareevaluateLess
{
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
	{
		return gl._evaluate < gr._evaluate;
	}
};
struct CompareevaluateGreater
{
	bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr)
	{
		return gl._evaluate > gr._evaluate;
	}
};
int main()
{
	vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,
   3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
	cout << "排序前：";
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照价格排升序：";
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照价格排降序：";
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照评价排升序：";
	sort(v.begin(), v.end(), CompareevaluateLess());

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照评价排降序：";

	sort(v.begin(), v.end(), CompareevaluateGreater());

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl;
}

小Tips：上面代码中如果要使用库里面的仿函数 less 或 greater，需要对 >、< 进行运算符重载，实现 Goods 类的大小比较。但是上面的代码中并没有采取这种做法，而是直接自己写了两个仿函数进行大小关系的比较。前面那种提供运算符重载的方法比较局限，因为无论是 < 还是 > 都只能重载一份，即 operator< 和 operator> 各自只能在代码中出现一份，且它们的内部只能根据一种属性进行大小比较，在同一段代码中不能实现根据不同属性去排序。而自己写仿函数就不会出现这种情况，我们可以在同一段代码中根据不同的属性去写不同的仿函数（只要类名不同即可）。

随着 C++ 语法的发展，人们开始觉得上面的写法太复杂了，每次为了实现一个排序算法，都要重新去写一个类（仿函数，实现大小比较），如果每次比较的逻辑不一样，还要去实现多个类，特别是相同类的命名，这些都给编程者带来了极大的不便。因此，在 C++11 语法中出现了 Lambda 表达式。

二、先来看看 lambda 表达式长什么样

struct Goods
{
	string _name;  // 名字
	double _price; // 价格
	int _evaluate; // 评价
	Goods(const char* str, double price, int evaluate)
		:_name(str)
		, _price(price)
		, _evaluate(evaluate)
	{}
};

int main()
{
	vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,
   3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };
	cout << "排序前：";
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl << endl << "按照价格排升序：";
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._price < g2._price; });
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl << endl << "按照价格排降序：";
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._price > g2._price; });
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl << endl << "按照评价排升序：";
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._evaluate < g2._evaluate; });
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl << endl << "按照评价排降序：";
	sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2)->bool {return g1._evaluate > g2._evaluate; });
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}

	cout << endl;
}

小Tips：上述代码就是使用 C++11 中的 lambda 表达式来解决，可以看出 lambda 表达式实际是一个匿名函数对象。

三、lambda表达式语法

lambda 表达式书写格式为：[capture-list](parameters) mutable-> return-type {statement}。

• [capture-list]：捕捉列表。该列表总是出现在 lambda 函数的开始位置，编译器根据 [ ] 来判断后面的代码是否是 lambda 函数，捕捉列表能够捕捉上下文中的变量供 lambda 函数使用。

• (parameters)：参数列表。与普通函数的参数列表一致，如果不需要参数传递，则可以连同 () 一起省略。

• mutable：默认情况下，lambda 函数总是一个 const 函数，mutable 可以取消其常量性。使用该修饰符时，参数列表不可省略（即使参数为空）。

• ->returntype：返回值类型。用追踪返回类型形式声明函数的返回值类型，没有返回值时此部分可以省略。返回值类型明确的情况下，也可以省略，由编译器对返回值类型进行推断。

• {statement}：函数体。在该函数体内，除了可以使用其参数外，还可以使用所有捕捉到的变量。

小Tips：在 lambda 函数定义中，参数列表和返回值类型都是可选部分，而捕捉列表和函数体可以为空。因此 C++11 中最简单的 lambda 函数为：[]{};。该 lambda 函数不能做任何事情。

实例：

int AddFunc(int x, int y)
{
	return x + y;
}

int num1 = 10, num2 = 20;

int main()
{
	// 实现两个数相加的 lambda 函数
	int a = 1, b = 10;
	auto add = [](int x, int y)->int {return x + y; };
	cout << add(a, b) << endl;

	// 实现两个函数交换的 lambda 函数
	auto swap = [add, a, b](int& x, int& y)
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;

		// cout << add(a, b) << endl; // 在 lambda 函数的函数体中无法直接使用局部的 lambda 函数或者变量(对象).
		//cout << AddFunc(a, b) << endl; // 在 lambda 函数的函数体中可以直接使用全局的函数或者变量(对象).
		cout << AddFunc(num1, num2) << endl; // 在 lambda 函数的函数体中可以直接使用全局的函数或者变量(对象).
	};

	swap(a, b);
	return 0;
}

小Tips：在 lambda 函数的函数体中可以调用全局的函数，使用全局的变量。但是要想在 lambda 的函数体中使用局部的变量或对象，则需要通过捕捉列表或者参数列表。

3.1 捕捉列表的使用细节

捕捉列表描述了上下文中哪些数据可以被 lambda 使用，以及使用的方式是传值还是传引用。

• [var]：表示值传递方式捕捉变量 var。

• [=]：表示值传递方式捕捉所有父作用域中的变量（包括this）。

• [&var]：表示引用传递捕捉变量 var。

• [&]：表示引用方式传递捕捉所有父作用域中的变量（包括this）。

• [this]：表示值传递方式捕捉当前的 this 指针。

小Tips：

• 父作用域指包含 lambda 函数语句块的作用域。

• 值传递方式捕捉到的变量本质上是父作用域中变量的一份拷贝，在默认情况下会对捕捉到的变量加上 const 属性，即不可以在 lambda 函数体中对捕捉到的变量进行修改。如果想修改可以加上 mutable 取消其常量性。即 [x, y] 捕捉列表中的 x 和 y 是父作用域中 x 和 y 的一份拷贝，并且默认给捕捉列表中的 x 和 y 加上了 const 属性。

• 引用传递方式既可以捕捉普通的变量也可以捕捉 const 变量。

• 语法上捕捉列表可以由多个捕捉项组成，并以逗号隔开。例如：[=, &a, &b]：以引用传递的方式捕捉变量 a 和 b，以值传递方式捕捉其他所有变量；[&, a, this]：以值传递方式捕捉变量 a 和 this，以引用方式捕捉其他变量。如果由多个捕捉项组成，= 和 & 只能出现在捕捉列表的开头，即 [&a, &b, = ] 这样写是错误的。

• 捕捉列表不允许变量重复传递，否则就会导致编译出错。例如：[=, a]：= 已经以值传递的方式捕捉了所有变量，在去捕捉 a 就会导致重复捕捉。

• 在块作用域以外的 lambda 函数捕捉列表必须为空。

• 在块作用域中的 lambda 函数仅能捕捉父作用域中的局部变量，捕捉任何非此作用域或者 非局部变量都会导致编译报错。

• lambda 表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同。

四、lambda 的底层原理

lambda 看起来很厉害，但它本质上就是仿函数。

int main() 
{
	auto func1 = [](int x, int y) {return x + y; };
	auto func2 = [](int x, int y) {return x + y; };

	cout << typeid(func1).name() << endl;
	cout << typeid(func2).name() << endl;

	func1(1, 2);
	return 0;
}

如上面代码所示，两个仿函数对象 func1 和 func2 它们看起来是一模一样的，但是通过打印它们各自的类型可以看出，它们的类型有所不同，因此 func1 和 func2 本质上就是两个不同的类对象，所以 lambda 表达式之间不能相互赋值，即使看起来类型相同。func1(1, 2) 本质上就是 func1 这个仿函数的对象在调用 operator()。

五、结语

今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，春人的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是春人前进的动力！