如何在 C++ 11 中使用 Lambda 表达式

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Lambda

Lambda 表达式不仅具有函数指针的灵活性,还可以通过捕获局部变量提高可扩展性。本文介绍 Lambda 表达式的语法和用法。

简介

Lambda 可能是最新的 C++11 标准的典型特性之一。Lambda 表达式把函数看作对象。Lambda 表达式可以像对象一样使用,比如可以将它们赋给变量和作为参数传递,还可以像函数一样对其求值。

当一个函数需要将另一个函数用作参数时,可以使用 Lambda。例如,C qsort() 函数接受一个指向比较函数的指针,如清单 1 所示。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

static int intcompare(const void *p1, const void *p2)
{
  int i = *((int *)p1);
  int j = *((int *)p2);
  return (i < j) ;
}
int main()
{
  int a[10] = { 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0 };
  qsort((void *)a, 10, sizeof (int), intcompare);
  for (int i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", a[i]); }
  printf("\n");
  return 0;
}

清单 1

清单 1 中的代码有以下几点不足:

  • 比较函数需要单独声明。这增加了将错误的比较函数传递给 qsort() 操作的风险。
  • 比较函数接受 void * 参数,因此缺失了某种程度的类型检查。
  • 比较函数看不到任何局部作用的变量。因此,如果存在其他影响排序的因素,必须在更大范围内声明。

清单 2 显示重新编写后的清单 1 中的示例,将 C++ std::sort() 算法与 lambda 表达式结合使用。由于 std::sort() 是一个模板,因此会保留所有类型信息。注意如何在通常出现函数名的位置编写 lambda 表达式。

#include <algorithm>
 int main()
 {
 int a[10] = { 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0 };
std::sort( a, &a[10], [](int x, int y){ return x < y; } );
    for(int i=0; i<10; i++) { printf("%i ", a[i]); }
  printf("\n");
  return 0;
  }

清单 2

Lambda 表达式的基本语法

Lambda 表达式本质上与函数声明非常类似。我们可以提取清单 2 中的 lambda 表达式,详加说明。提取的 lambda 表达式如清单 3 所示:

[](int x, int y){ return x < y ; }

清单 3

如果我们将 lambda 表达式比作函数,可以看到它与函数名对应的是一对空的方括号,即捕获表达式。这些括号表示后面跟着一个 lambda 表达式。这些方括号不必为空;稍后将讨论其内容。

如果 lambda 主体只含一个返回类型,则暗示返回的表达式类型为 lambda 返回类型。如果要显式指定返回类型,需使用新的 C++11 语法表示函数声明中的后置返回类型。对于返回类型 T 的普通函数,您可以这样编写:

auto foo(...) -> T { ... }

对于 lambda,您需要要这样编写:

[] (...) -> T { ... }

lambda 表达式的其余部分与常规 C 或 C++ 函数主体类似。

将 Lambda 传递到函数指针

C++11 标准库中有一个名为 function 的模板,它可以接受指定类型的函数或者具有匹配的返回类型和参数列表的 lambda。这将产生一个指向函数类型的指针,例如,清单 4 可用作函数参数类型,接受 int 参数,返回 void。您可以向其传递任何类似匹配函数或 lambda 的内容。

std::function<void(int)>

清单 4

清单 5 显示的函数扫描一个数组,对每个元素应用一个给定函数。

void scan( int* a, int length, std::function<void(int)> process )
 {
 for(int i=0; i<length; i++)
 {
 process(a[i]);
 }
 }

清单 5

清单 6 显示如何通过传递一个函数或 lambda 表达式作为参数来调用 scan() 函数。

void f(int);
  int a[10];
  ...
  scan(a, 10, f);
  scan(a, 10, [](int k)->void { ... } );

清单 6

Lambda 表达式中的变量捕获

到目前为止,我们对 lambda 表达式的处理基本与标准函数调用类似:传入参数,返回结果。然而,在函数主体中声明的 lambda 表达式还是可以捕获在声明 lambda 处可见的函数的任何局部变量。

假设我们需要使用函数 scan(),但希望 process 函数只对大于某个阈值的值起作用。我们不能修改 scan(),不能让 scan() 向 process 函数传递多个参数。但如果我们将一个 lambda 表达式传递给 scan() 函数,则可以从其环境捕获一个局部变量。

在清单 7 中,我们将希望捕获的变量放在方括号中,即放在捕获表达式中。这实际上向 lambda 表达式中额外传递了一个参数,但无需更改 scan 函数的定义。就像传递参数给函数一样,我们实际上是在函数的调用点捕获值 threshold 的副本,这称为通过值捕获

#include <algorithm>
 void scan( int* a, int length, std::function<void(int)> process)
 {
 for(int i=0; i<length; i++) {
 process(a[i]);
 }
 }
 int main()
 {
 int a[10] = { 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0 };
 int threshold = 5;
scan(a, 10,
     [threshold](int v)
  { if (v>threshold) { printf("%i ", v); } }
  );
  printf("\n");
  return 0;  }

清单 7

有一个简写形式 [=],表示“通过值捕获每个变量”。在清单 8 中,我们将函数调用重新编写为使用这种更短的表达式。

scan(a, 10, [=](int v) { if (v>threshold) { printf("%i ", v); } });

清单 8

:通过值捕获变量意味着生成局部副本。如果有多个局部变量,全部捕获可能会导致 lambda 产生显著开销。

但有些情况下,我们希望修改捕获的变量。例如,假设我们要计算最大值并将其存储在变量 max 中。在这种情况下,我们不想使用该变量值的副本,而是希望使用该变量的引用,这样,我们就可以在模板中修改该变量。这称为通过引用捕获变量。清单 9 显示了这样一个示例。

#include <algorithm>
 void scan(int * a, int length, std::function<void (int)> func)
 {
 for(int i=0; i<length; i++) {
 func(a[i]);
 }
 }
 int main()
 {
 int a[10] = { 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0 };
 int threshold = 5;
 int max =0;
 std::sort( a, &a[10], [](int x, int y){return (x < y);});
 scan(a, 10,
 [threshold,&max](int v) { if (v>max) {max = v;}
if (v>threshold) { printf("%i ", v); } });
   printf("\n");
   printf("Max = %i\n",max);
   return 0;
   }

清单 9

同样,也有一个简写形式 [&],用于应通过引用捕获每个变量的情况。

Lambda 表达式、函数对象和函子

虽然 lambda 表达式是 C++11 的新特性,但用这种方式访问现有语言特性的确很方便。lambda 表达式是函数对象 的速记表示法。函数对象是一个具有成员 operator()()(函数调用运算符)的类类型对象,因此可以像函数一样调用。函数对象类型被称作函子。清单 10 显示了一个函子的示例。

class compare_ints {
 public:
 compare_ints(int j, int k ) : l(j), r(k) { }
 bool operator()() { return l < r; }
 private:
 int l, r;  };

清单 10

您可以创建一个 compare_ints 对象,用两个整型值初始化,如果第一个值小于第二个值,使用函数调用运算符返回 true:

compare_ints comp(j, k);
 bool less_than = comp();

也可以动态创建一个临时对象,然后直接使用:

bool less_than = compare_ints(j, k)();

使用 lambda 表达式不必创建和命名函子类即可达到这种效果。编译器为您创建一个匿名函子,如清单 11 所示。

auto comp = [](int j, int k) { return j < k; };
bool less_than =  comp(l,r);

清单 11

在清单 11 中,comp 是匿名函子类型的对象。

您也可以动态执行此操作:

bool less_than = [l,r]() { return l < r; }();

总结

Lambda 表达式是一种非常强大的 C++ 扩展。它们不仅具有函数指针的灵活性,还可以通过捕获局部变量提高可扩展性。

显然,与 C++11 中广泛的模板特性结合时,lambda 表达式会变得更加 有用,这种情况在按 C++11 标准编写的代码中会经常遇到。