C++11：lambda表達式詳細介紹

前言

Lambda（匿名函數）表達式是C++11最重要的特性之一，lambda來源於函數式編程的概念，也是現代編程語言的一個特點。

優點如下：

• 聲明式編程風格：就地匿名定義目標函數或函數對象，有更好的可讀性和可維護性。
• 簡潔：不需要額外寫一個命名函數或函數對象，，避免了代碼膨脹和功能分散。
• 更加靈活：在需要的時間和地點實現功能閉包。

概念及基本用法

lambda表達式定義了一個匿名函數，並且可以捕獲一定範圍內的變量。語法形式如下：

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

• capture：捕獲列表
• params：參數列表
• opt：函數選項
• ret：返回值類型
• body：函數體

一個完整的lambda表達式是這樣：

auto f = [](int a) -> int {return a + 1;};
cout << f(3) << endl;  //輸出4

以上定義了一個完整的lambda，但是在實際的使用中，可以省略其返回值的定義，編譯器會根據return語句進行自動推導返回值類型。
省略過後如下：

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

需要注意的是，初始化列表不能用於返回值的自動推導：
如：auto f = [](){return {1,2};}; //error:無法推導返回值類型

另外，如果表達式沒有參數列表時，也可以省略，如：

auto f = []{return 1;};

捕獲變量

lambda表達式可以通過捕獲列表捕獲一定範圍內的變量，主要有以下幾種情況：

• [] 不捕獲任何變量
• [&]捕獲外部作用域中所有變量，並作爲引用在函數體中使用（按引用捕獲）
• [=]捕獲外部作用域中所有變量，並作爲副本在函數體重使用（按值捕獲）
• [=,&foo] 按值捕獲外部作用域中所有變量，並按引用捕獲foo變量
• [bar] 按值捕獲bar變量，同時不捕獲其他變量
• [this] 捕獲當前類中的this指針，讓表達式擁有和當前類成員函數同樣的訪問權限。如果已經使用了&或者=，就默認添加此選項。捕獲this的目的是可以在lambda中使用當前類的成員變量和成員函數。

通過示例來看具體用法：

class A 
{
public:
	int i_ = 0;
	
	void func(int x,int y)
	{
		auto x1 = []{return i_;};  // error,沒有捕獲外部變量
		auto x2 = [=]{return i_ + x + y;}; //ok，按值捕獲所有外部變量
		auto x3 = [&]{return i_ + x + y;}; //ok，按引用捕獲所有外部變量
		auto x4 = [this]{return i_;}; //ok，捕獲this指針
		auto x5 = [this]{return i_ + x + y;}; //error,沒有捕獲x和y變量
		auto x6 = [this,x,y]{return i_ + x + y;}; //ok，捕獲了this指針和x、y變量
		auto x7 = [this]{return i_++;}; //ok，捕獲了this指針，修改成員變量的值
	}
};

int a = 0 , b = 0 ;
auto f1 = []{return a;}; // error,沒有捕獲外部變量
auto f2 = [&]{return a++;}; //ok，捕獲所有外部變量，並對a變量自加
auto f3 = [=]{return a;}; //ok，捕獲所有外部變量，並返回a
auto f4 = [=]{return a++;}; //error,a變量是以複製方式捕獲的，不能修改
auto f5 = [a]{return a+b;}; //error,沒有捕獲b變量
auto f6 = [a,&b]{return a+ (b++);}; //ok，捕獲a以及b的引用，對b進行自加
auto f7 = [=,&b]{return a+ (b++);}; //ok, 捕獲所有外部變量和b的引用，對b進行自加

需要注意的是，lambda無法修改按值捕獲的外部變量，如果需要修改外部變量，可以通過引用方式捕獲。

關於lambda表達式的延遲調用很容易出錯,如下：

int a = 0;
auto f = [=]{return a;};
a += 1;
cout << f() << endl;

以上示例中，lambda按值捕獲了所有外部變量，在捕獲的時候 a的值就已經被複制到 f 中了，之後a被修改，但是f裏面存儲的a仍然是捕獲時的值，所以最終輸出的是 0.
如果希望lambda表達式在調用的時候能夠訪問外部變量，需要使用引用方式捕獲。

所以簡單來說，按值捕獲，外部變量會被複制一份存儲在lambda表達式變量中。

如果是按值捕獲並且又想修改外部變量，可以顯示指明lambda表達式爲mutable：

int a = 0;
auto f1 = [=]{return a++;};  //error,修改按值捕獲的外部變量
auto f2 = [=]() mutable {return a++;}; //ok

被mutable修飾的lambda表達式就算沒有參數也要寫明參數列表。

lambda表達式類型

lambda表達式的類型在C++11中被稱爲“閉包類型”，它是一個特殊的，匿名的非nunion的類型。

可以認爲它是帶有一個operator()的類，即仿函數。
我們可以通過std::function和std::bind來存儲和操作lambda表達式：

std::function<int(int)> f1 = [](int a){return a;};
std::function<int(void)> f2 = std::bind([](int a){return a;},123);

另外，對於沒有捕獲任何變量的lambda表達式，還可以被轉換成一個普通的函數指針：

using func_t = int(*)(int);
func_t f = [](int a){return a;};
f(123);

lambda可以說是就地定義仿函數閉包的“語法 糖”。它的捕獲列表捕獲住任何外部變量，最終都會變爲閉包類型的成員變量。而一個成員變量的類的operator()，如果能直接被轉換爲普通的函數指針，那麼lambda表達式本身的this指針就丟掉了。而沒有捕獲任何外部變量的lambda表達式則不存在這個問題。

需要注意的是，沒有捕獲變量的lambda表達式可以直接轉換爲函數指針，而捕獲變量的lambda表達式則不能轉換爲函數指針。如下：

typedef void(*Ptr)(int*);
Ptr p = [](int *p){delete p;};  //ok
Ptr p1 = [&](int *p){delete p;}; //error

前面說到的按值捕獲無法修改捕獲的外部變量，因爲按照C++標準，lambda表達式的operator()默認是const的，一個const成員函數是無法修改成員變量的值，而mutable的作用，就是取消operator()的const限制。

聲明式的編程風格

通過示例來看一下lambda的使用，在C++11之前，如果要用for_each函數將數組中的偶數數量打印出來，代碼如下：

#include <vector>
#include <algorithm>
class Count
{
public:
    Count(int &val):num(val){}
    void operator()(int val){
        if(!(val & 1)){
            ++num;
        }
    }
private:
    int &num;
};

int main()
{
    std::vector<int> v = {1,2,3,4,5,6,7};
    int count = 0;
    for_each(v.begin(),v.end(),Count(count));
    std::cout << count << endl;
    return 0;
}

如果使用lambda表達式，就可以簡化一下，真正使用閉包概念來替換這裏的仿函數。

#include <vector>
#include <algorithm>

int main()
{
    std::vector<int> v = {1,2,3,4,5,6,7};
    int count = 0;
    for_each(v.begin(),v.end(),[&count](int val){
        if(!(val & 1)){
            ++count;
        }
    });

    std::cout << count << endl;
    return 0;
}

lambda表達式的價值在於，就地封裝短小的功能閉包，方便地表達出我們希望執行的具體操作，並讓上下文結合的更加緊，代碼更加簡潔，更靈活，也提高了開發效率及可維護性。

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參考：《深入應用C++11》