快捷導(dǎo)航

深入理解C++11：探索lambda函數(shù)的奧秘

更新時間：2024年01月19日 08:31:39 作者：春人.

聚焦于C++11,讓我們一起探索lambda函數(shù)的奧秘,本指南將帶您深入了解這個強大的編程工具,讓您在編程世界中如虎添翼,無論您是初學(xué)者還是有經(jīng)驗的開發(fā)者,本指南都將為您帶來全新的視角和實用的技巧,需要的朋友可以參考下

一、C++98中的排序

在 C++98 中，如果要對一個數(shù)據(jù)集合中的元素進(jìn)行排序，可以使用 std::sort 方法，下面代碼是對一個整型集合進(jìn)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 << "原始數(shù)組：";
	for (auto e : array)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "排升序：";
	// 默認(rèn)按照小于比較，排出來結(jié)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，需要改變元素的比較規(guī)則
	std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), greater<int>());

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

在這里插入圖片描述

小Tips：上面的 greater 是一個仿函數(shù)，這里傳遞仿函數(shù)是用來控制大小比較的。關(guān)于仿函數(shù)，在前面的文章中已經(jīng)多次使用，在【C++雜貨鋪】優(yōu)先級隊列的使用指南與模擬實現(xiàn)一文中，我們使用仿函數(shù)來進(jìn)行大小比較；在【C++雜貨鋪】一文帶你走進(jìn)哈希：哈希沖突 | 哈希函數(shù) | 閉散列 | 開散列一文中，我們使用仿函數(shù)來獲取 pair<K, V> 模型中的 key?？傊?，仿函數(shù)有著十分強大的功能。

如果待排序的元素為自定義類型，由于自定義類型中可能有多重不同的屬性，因此需要用戶自己來定義排序時的比較規(guī)則：

struct Goods
{
	string _name;  // 名字
	double _price; // 價格
	int _evaluate; // 評價
	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 = { { "蘋果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,
   3 }, { "菠蘿", 1.5, 4 } };
	cout << "排序前：";
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照價格排升序：";
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照價格排降序：";
	sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照評價排升序：";
	sort(v.begin(), v.end(), CompareevaluateLess());

	for (auto e : v)
	{
		cout << e << ' ';
	}
	cout << endl << endl << "按照評價排降序：";

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

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

在這里插入圖片描述

小Tips：上面代碼中如果要使用庫里面的仿函數(shù) less 或 greater，需要對 >、< 進(jìn)行運算符重載，實現(xiàn) Goods 類的大小比較。但是上面的代碼中并沒有采取這種做法，而是直接自己寫了兩個仿函數(shù)進(jìn)行大小關(guān)系的比較。前面那種提供運算符重載的方法比較局限，因為無論是 < 還是 > 都只能重載一份，即 operator< 和 operator> 各自只能在代碼中出現(xiàn)一份，且它們的內(nèi)部只能根據(jù)一種屬性進(jìn)行大小比較，在同一段代碼中不能實現(xiàn)根據(jù)不同屬性去排序。而自己寫仿函數(shù)就不會出現(xiàn)這種情況，我們可以在同一段代碼中根據(jù)不同的屬性去寫不同的仿函數(shù)（只要類名不同即可）。

隨著 C++ 語法的發(fā)展，人們開始覺得上面的寫法太復(fù)雜了，每次為了實現(xiàn)一個排序算法，都要重新去寫一個類（仿函數(shù)，實現(xiàn)大小比較），如果每次比較的邏輯不一樣，還要去實現(xiàn)多個類，特別是相同類的命名，這些都給編程者帶來了極大的不便。因此，在 C++11 語法中出現(xiàn)了 Lambda 表達(dá)式。

二、先來看看 lambda 表達(dá)式長什么樣

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

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

	cout << endl << endl << "按照價格排升序：";
	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 << "按照價格排降序：";
	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 << "按照評價排升序：";
	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 << "按照評價排降序：";
	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;
}

在這里插入圖片描述

小Tips：上述代碼就是使用 C++11 中的 lambda 表達(dá)式來解決，可以看出 lambda 表達(dá)式實際是一個匿名函數(shù)對象。

三、lambda表達(dá)式語法

lambda 表達(dá)式書寫格式為：[capture-list](parameters) mutable-> return-type {statement}。

[capture-list]：捕捉列表。該列表總是出現(xiàn)在 lambda 函數(shù)的開始位置，編譯器根據(jù) [ ] 來判斷后面的代碼是否是 lambda 函數(shù)，捕捉列表能夠捕捉上下文中的變量供 lambda 函數(shù)使用。

(parameters)：參數(shù)列表。與普通函數(shù)的參數(shù)列表一致，如果不需要參數(shù)傳遞，則可以連同 () 一起省略。

mutable：默認(rèn)情況下，lambda 函數(shù)總是一個 const 函數(shù)，mutable 可以取消其常量性。使用該修飾符時，參數(shù)列表不可省略（即使參數(shù)為空）。

->returntype：返回值類型。用追蹤返回類型形式聲明函數(shù)的返回值類型，沒有返回值時此部分可以省略。返回值類型明確的情況下，也可以省略，由編譯器對返回值類型進(jìn)行推斷。

{statement}：函數(shù)體。在該函數(shù)體內(nèi)，除了可以使用其參數(shù)外，還可以使用所有捕捉到的變量。

小Tips：在 lambda 函數(shù)定義中，參數(shù)列表和返回值類型都是可選部分，而捕捉列表和函數(shù)體可以為空。因此 C++11 中最簡單的 lambda 函數(shù)為：[]{};。該 lambda 函數(shù)不能做任何事情。

實例：

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

int num1 = 10, num2 = 20;

int main()
{
	// 實現(xiàn)兩個數(shù)相加的 lambda 函數(shù)
	int a = 1, b = 10;
	auto add = [](int x, int y)->int {return x + y; };
	cout << add(a, b) << endl;

	// 實現(xiàn)兩個函數(shù)交換的 lambda 函數(shù)
	auto swap = [add, a, b](int& x, int& y)
	{
		int tmp = x;
		x = y;
		y = tmp;

		// cout << add(a, b) << endl; // 在 lambda 函數(shù)的函數(shù)體中無法直接使用局部的 lambda 函數(shù)或者變量(對象).
		//cout << AddFunc(a, b) << endl; // 在 lambda 函數(shù)的函數(shù)體中可以直接使用全局的函數(shù)或者變量(對象).
		cout << AddFunc(num1, num2) << endl; // 在 lambda 函數(shù)的函數(shù)體中可以直接使用全局的函數(shù)或者變量(對象).
	};

	swap(a, b);
	return 0;
}

小Tips：在 lambda 函數(shù)的函數(shù)體中可以調(diào)用全局的函數(shù)，使用全局的變量。但是要想在 lambda 的函數(shù)體中使用局部的變量或?qū)ο?，則需要通過捕捉列表或者參數(shù)列表。

3.1 捕捉列表的使用細(xì)節(jié)

捕捉列表描述了上下文中哪些數(shù)據(jù)可以被 lambda 使用，以及使用的方式是傳值還是傳引用。

[var]：表示值傳遞方式捕捉變量 var。

[=]：表示值傳遞方式捕捉所有父作用域中的變量（包括this）。

[&var]：表示引用傳遞捕捉變量 var。

[&]：表示引用方式傳遞捕捉所有父作用域中的變量（包括this）。

[this]：表示值傳遞方式捕捉當(dāng)前的 this 指針。

小Tips：

父作用域指包含 lambda 函數(shù)語句塊的作用域。

值傳遞方式捕捉到的變量本質(zhì)上是父作用域中變量的一份拷貝，在默認(rèn)情況下會對捕捉到的變量加上 const 屬性，即不可以在 lambda 函數(shù)體中對捕捉到的變量進(jìn)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 的一份拷貝，并且默認(rèn)給捕捉列表中的 x 和 y 加上了 const 屬性。

引用傳遞方式既可以捕捉普通的變量也可以捕捉 const 變量。

語法上捕捉列表可以由多個捕捉項組成，并以逗號隔開。例如：[=, &a, &b]：以引用傳遞的方式捕捉變量 a 和 b，以值傳遞方式捕捉其他所有變量；[&, a, this]：以值傳遞方式捕捉變量 a 和 this，以引用方式捕捉其他變量。如果由多個捕捉項組成，= 和 & 只能出現(xiàn)在捕捉列表的開頭，即 [&a, &b, = ] 這樣寫是錯誤的。

捕捉列表不允許變量重復(fù)傳遞，否則就會導(dǎo)致編譯出錯。例如：[=, a]：= 已經(jīng)以值傳遞的方式捕捉了所有變量，在去捕捉 a 就會導(dǎo)致重復(fù)捕捉。

在塊作用域以外的 lambda 函數(shù)捕捉列表必須為空。

在塊作用域中的 lambda 函數(shù)僅能捕捉父作用域中的局部變量，捕捉任何非此作用域或者非局部變量都會導(dǎo)致編譯報錯。

lambda 表達(dá)式之間不能相互賦值，即使看起來類型相同。

四、lambda 的底層原理

lambda 看起來很厲害，但它本質(zhì)上就是仿函數(shù)。

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;
}

在這里插入圖片描述

如上面代碼所示，兩個仿函數(shù)對象 func1 和 func2 它們看起來是一模一樣的，但是通過打印它們各自的類型可以看出，它們的類型有所不同，因此 func1 和 func2 本質(zhì)上就是兩個不同的類對象，所以 lambda 表達(dá)式之間不能相互賦值，即使看起來類型相同。func1(1, 2) 本質(zhì)上就是 func1 這個仿函數(shù)的對象在調(diào)用 operator()。

在這里插入圖片描述