C++ 11 中的Lambda表达式

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0. functor类

首先，认识一下functor类，对于理解lambda对象会有所帮助。functor是一种行为很像函数(函数指针)的类。这种类的特点是提供了()操作符重载，可以作为函数被调用。

在使用C++标准模板库时，functor类可以捕获额外的状态(参数)，提供更加灵活的用法，因此经常被使用。如下图所示的for_each函数，在特殊需求的情况下，需要自己编写定制的functor。

如下图所示的fransform函数，可以通过传值，捕获用户定义的参数，从而生成不同的函数，满足特定的需求。

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// C++ program to demonstrate working of 
// functors. 
#include <bits/stdc++.h> 
using namespace std; 
  
// A Functor 
class increment 
{ 
private: 
    int num; 
public: 
    increment(int n) : num(n) {  } 
  
    // This operator overloading enables calling 
    // operator function () on objects of increment 
    int operator () (int arr_num) const { 
        return num + arr_num; 
    } 
}; 
  
// Driver code 
int main() 
{ 
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; 
    int n = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); 
    int to_add = 5; 
  
    transform(arr, arr+n, arr, increment(to_add)); 
  
    for (int i=0; i<n; i++) 
        cout << arr[i] << " "; 
} 

/************************************************
output:
6,7,8,9,10
************************************************/

如果该算法只用一次，这么写就显得浪费且冗余。因此考虑使用匿名函数。

1. 匿名函数

Lambda函数语法结构如图：

lambda

原理分析

lambda函数体用于functor类生成operator()方法。lambda函数是一种特殊的对象，其类型是compiler-generated，只有编译器知道。因此在声明一个lambda对象时，需要使用auto声明。

Lambda对象是一个带有作用域的functor对象，我们可以将其定义到某个算法的作用域中，这样符合好的模块设计思想。如下图：

2. 捕获对象

lambda提供了捕获列表，可以捕获作用域中的变量，并用于lambda函数体处理。有两种捕获方式：传值和传引用。和函数传值传引用一样，传值只是传递一个拷贝，传引用则是传本体。

可以使用下面两种写法，传递所有参数。

原理分析

当向捕获列表添加变量，编译器将对应的变量加入到lambda-functor类的构造函数中并作初始化。

因此，捕获列表引入了可能的消耗，每个传值的捕获变量都会引入一个新的拷贝。

3. 成员函数中的lambda

由于lambda事实上是一个独立的类，因此存在自己的作用域上下文。因此没有直接访问其他成员变量的权限。为了捕获成员变量，必须捕获该类的this指针。this指针使得lambda能够访问类的所有数据，包括私有成员。

4. 可调用对象(callable objects)

可调用对象是对所有可以像函数一样被调用的对象的统称。包括：

  1. 成员函数
  2. 普通函数
  3. functor
  4. lambda

在C语言中，有函数指针这个概念，允许函数的地址被存储。然而指向普通函数的指针和指向成员函数的指针，以及指向lambda的指针，他们的函数签名都不同。更好的解决方法是提供一个通用的类别，来存储任意可调用对象的地址。

std::function就是这样一个模板类，可以存储任意的可调用对象。std::function为可调用对象提供了一种统一的机制，用来存储，传递和访问这些对象。

这样，所有可调用对象的函数签名都变成了std::function。std::function还提供了!=运算符重载，使得可以和nullptr作比较，因此使用时如同函数指针。

如上图所示，SimpleCallback类可以被任何可调用类所使用，并不需要代码作出修改。因为他们都符合callback的函数签名。

std::function与函数指针的区别

  1. std::function 是 functor ，它可以保存一部分调用所需的额外状态（这种功能有时被称为“闭包 (closure) ”）；

  2. std::function 有运行时多态，同样类型的 std::function<Ret(Args)> 对象可以处理不同类型的被调用函数和额外状态。

而函数指针只能指向同一类型的不同函数（除了 C++17 开始非 noexcept 函数指针可以指向 noexcept 函数），不能保存额外状态。

参考文献

Functors in C++

Demystifying C++ lambdas

知乎暮无井见铃的回答