Lambda表達(dá)式從用到底層原理-創(chuàng)新互聯(lián)

文章目錄

• 前言
• 一、lambda函數(shù)基本使用
• • • 參數(shù)列表
    • 返回類型
    • 函數(shù)體
    • 捕獲列表
    • • • • 值捕獲
          • 引用捕獲
          • 隱式捕獲
          • 混合方式捕獲
          • 修改值捕獲變量的值
          • 異常說(shuō)明
• 二、lambda表達(dá)式使用的注意事項(xiàng)
• • • 避免默認(rèn)捕獲模式
• 三、lambda表達(dá)式底層實(shí)現(xiàn)原理
• • • 采用值捕獲
    • 采用引用捕獲

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前言

lambda式作為一種創(chuàng)建函數(shù)對(duì)象的手段，實(shí)在太過(guò)方便，對(duì)c++日常軟件開(kāi)發(fā)產(chǎn)生極大影響，所以特來(lái)學(xué)習(xí)。

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一、lambda函數(shù)基本使用

lambda函數(shù)是C++11標(biāo)準(zhǔn)新增的語(yǔ)法糖，也稱為lambda表達(dá)式或匿名函數(shù)。
lambda函數(shù)的特點(diǎn)是：距離近、簡(jiǎn)潔、高效和功能強(qiáng)大。
示例：

[](const int& no) ->void {cout<< "親愛(ài)的"<< no<< "號(hào)：我是一只傻傻鳥(niǎo)。\n"; };

語(yǔ)法：

參數(shù)列表

參數(shù)列表是可選的，類似普通函數(shù)的參數(shù)列表，如果沒(méi)有參數(shù)列表，()可以省略不寫(xiě)。
與普通函數(shù)的不同：

• lambda函數(shù)不能有默認(rèn)參數(shù)。
• 所有參數(shù)必須有參數(shù)名。
• 不支持可變參數(shù)。

返回類型

用后置的方法書(shū)寫(xiě)返回類型，類似于普通函數(shù)的返回類型，如果不寫(xiě)返回類型，編譯器會(huì)根據(jù)函數(shù)體中的代碼推斷出來(lái)。
如果有返回類型，建議顯式的指定，自動(dòng)推斷可能與預(yù)期不一致。

auto f=[](const int& no) ->double{cout<< "親愛(ài)的"<< no<< "號(hào)：我是一只傻傻鳥(niǎo)。\n";
};

此時(shí)auto判定f為double類型；

函數(shù)體

類似于普通函數(shù)的函數(shù)體。

捕獲列表

通過(guò)捕獲列表，lambda函數(shù)可以訪問(wèn)父作用域中的非靜態(tài)局部變量（靜態(tài)局部變量可以直接訪問(wèn)，不能訪問(wèn)全局變量）。
捕獲列表書(shū)寫(xiě)在[]中，與函數(shù)參數(shù)的傳遞類似，捕獲方式可以是值和引用。
以下列出了不同的捕獲列表的方式。

值捕獲

與傳遞參數(shù)類似，采用值捕獲的前提是變量可以拷貝。
與傳遞參數(shù)不同，變量的值是在lambda函數(shù)創(chuàng)建時(shí)拷貝，而不是調(diào)用時(shí)拷貝。
例如：

size_t v1 = 42;
auto f = [ v1 ]  {return v1; };	// 使用了值捕獲，將v1拷貝到名為f的可調(diào)用對(duì)象。
v1 = 0;
auto j = f();    // j為42，f保存了我們創(chuàng)建它是v1的拷貝。

由于被捕獲的值是在lambda函數(shù)創(chuàng)建時(shí)拷貝，因此在隨后對(duì)其修改不會(huì)影響到lambda內(nèi)部的值。
默認(rèn)情況下，如果以傳值方式捕獲變量，則在lambda函數(shù)中不能修改變量的值。

引用捕獲

和函數(shù)引用參數(shù)一樣，引用變量的值在lambda函數(shù)體中改變時(shí)，將影響被引用的對(duì)象。

size_t v1 = 42;
auto f = [ &v1 ]  {return v1; };	 // 引用捕獲，將v1拷貝到名為f的可調(diào)用對(duì)象。
v1 = 0;
auto j = f();	   // j為0。

如果采用引用方式捕獲變量，就必須保證被引用的對(duì)象在lambda執(zhí)行的時(shí)候是存在的。

隱式捕獲

除了顯式列出我們希望使用的父作域的變量之外，還可以讓編譯器根據(jù)函數(shù)體中的代碼來(lái)推斷需要捕獲哪些變量，這種方式稱之為隱式捕獲。
隱式捕獲有兩種方式，分別是[=]和[&]。[=]表示以值捕獲的方式捕獲外部變量，[&]表示以引用捕獲的方式捕獲外部變量。

int a = 123;
auto f = [ = ]  {cout<< a<< endl; };		//值捕獲
f(); 	// 輸出：123
auto f1 = [ & ] {cout<< a++<< endl; }; 		//引用捕獲
f1();	//輸出：123（采用了后++）
cout<< a<< endl; 		//輸出 124

混合方式捕獲

lambda函數(shù)還支持混合方式捕獲，即同時(shí)使用顯式捕獲和隱式捕獲。
混合捕獲時(shí)，捕獲列表中的第一個(gè)元素必須是 = 或 &，此符號(hào)指定了默認(rèn)捕獲的方式是值捕獲或引用捕獲。
需要注意的是：顯式捕獲的變量必須使用和默認(rèn)捕獲不同的方式捕獲。例如：

int i = 10;
	int  j = 20;
	auto f1 = [ =, &i] () {return j + i; };		// 正確，默認(rèn)值捕獲，顯式是引用捕獲
	auto f2 = [ =, i] () {return i + j; };		// 編譯出錯(cuò)，默認(rèn)值捕獲，顯式值捕獲，沖突了
	auto f3 = [ &, &i] () {return i +j; };		// 編譯出錯(cuò)，默認(rèn)引用捕獲，顯式引用捕獲，沖突了

修改值捕獲變量的值

在lambda函數(shù)中，如果以傳值方式捕獲變量，則函數(shù)體中不能修改該變量，否則會(huì)引發(fā)編譯錯(cuò)誤。
在lambda函數(shù)中，如果希望修改值捕獲變量的值，可以加mutable選項(xiàng)，但是，在lambda函數(shù)的外部，變量的值不會(huì)被修改。

int a = 123;
    auto f = [a]()mutable {cout<< ++a<< endl; }; // 不會(huì)報(bào)錯(cuò)
    cout<< a<< endl; 	// 輸出：123
    f(); 					// 輸出：124
    cout<< a<< endl; 	// 輸出：123

異常說(shuō)明

lambda可以拋出異常，用throw(…)指示異常的類型，用noexcept指示不拋出任何異常。

二、lambda表達(dá)式使用的注意事項(xiàng) 避免默認(rèn)捕獲模式

按引用的默認(rèn)捕獲模式可能導(dǎo)致空懸引用，一旦由lambda式所創(chuàng)建的閉包越過(guò)了局部變量或形參的生命周期，那么閉包內(nèi)的引用就會(huì)空懸（即必須保證被引用的對(duì)象在lambda執(zhí)行的時(shí)候是存在的）
（有沒(méi)有空懸引用其實(shí)就是看的生命周期，那個(gè)長(zhǎng)）

既然引用有導(dǎo)致空懸引用的風(fēng)險(xiǎn)，那是不是可以用按值捕獲呢。按值的默認(rèn)捕獲也有可能存在空懸的風(fēng)險(xiǎn)。如按值捕獲了一個(gè)指針以后，在lambda式創(chuàng)建的閉包中持有的是這個(gè)指針的副本，但并無(wú)辦法阻止lambda式之外的代碼去針對(duì)該指針實(shí)施delete操作所導(dǎo)致的指針副本空懸。

對(duì)于類的方法中使用lambda，如果使用到了類的成員變量，則會(huì)出現(xiàn)無(wú)法被捕獲的錯(cuò)誤。如下：

void Widget::addFilter() const
{filters.emplace_back(
		[divisor](int value)		//錯(cuò)誤
		{return value % divisor==0;}	//局部沒(méi)有可捕獲的divisor(divisor既不是局部變量，也不是形參)
	);
}

解決這一問(wèn)題，關(guān)鍵在于一個(gè)裸指針隱式應(yīng)用，這就是this。每一個(gè)非靜態(tài)成員函數(shù)都持有一個(gè)this指針，然后每當(dāng)提及該類的成員變量時(shí)都會(huì)用到這個(gè)指針。
所以此上的代碼的lambda函數(shù)被捕獲的實(shí)際上是Widget的this指針，而不是divisor。
代碼如下 ：

void Widget::addFilter() const
{auto currentObjectPtr=this;
	filters.emplace_back(
		[currentObjectPtr](int value)
		{return value%currentObjectPtr->divisor==0;}
	);
}

這就相當(dāng)于lambda閉包的存活與它含有其this指針副本的Widget對(duì)象的生命期是綁在一起的

對(duì)于以static聲明的靜態(tài)變量，可以在lambda內(nèi)使用，但是它們不能被捕獲

三、lambda表達(dá)式底層實(shí)現(xiàn)原理

class Add{public:
	Add(int n):_a(n){}

	int operator()(int n){return _a + n;
	}
private:
	int _a;
};

int main(){int n = 2;
	Add a(n);
	a(4);

	auto a2 = [=](int m)->int{return n + m; };
	a2(4);
	return 0;
} 

從上面的代碼中可以看到，仿函數(shù)與lambda表達(dá)式完全一樣

實(shí)際當(dāng)我們編寫(xiě)了一個(gè)lambda表達(dá)式之后，編譯器將該表達(dá)式翻譯成一個(gè)未命名類的未命名對(duì)象。該類含有一個(gè)operator()。
整個(gè)lamda表達(dá)式，編譯的時(shí)候，

1. 編譯器給你自動(dòng)生成一個(gè)形如的類
2. 然后把捕獲列表中的參數(shù)，都按照你的要求（值捕獲， 引用捕獲）包裝到這個(gè)類的成員里面
3. 編譯器生成一個(gè) operator() 重載函數(shù)， 最后你對(duì)lamda的調(diào)用就是對(duì)函數(shù)對(duì)象的調(diào)用了， 捕獲的參數(shù)早給你準(zhǔn)備好了

采用值捕獲

采用值捕獲時(shí)，lambda函數(shù)生成的類用捕獲變量的值初始化自己的成員變量。
例如：

int a =10;
int b = 20;
auto addfun = [=] (const int c ) ->int {return a+c; };
int c = addfun(b);    
cout<< c<< endl;

等同于：

class Myclass
{int m_a;		// 該成員變量對(duì)應(yīng)通過(guò)值捕獲的變量。
public:
	Myclass( int a ) : m_a(a){};	// 該形參對(duì)應(yīng)捕獲的變量。
	// 重載了()運(yùn)算符的函數(shù)，返回類型、形參和函數(shù)體都與lambda函數(shù)一致。
	int operator()(const int c) const
	{return a + c;
	}
};

默認(rèn)情況下，由lambda函數(shù)生成的類是const成員函數(shù)，所以變量的值不能修改。如果加上mutable，相當(dāng)于去掉const。這樣上面的限制就能講通了。

采用引用捕獲

如果lambda函數(shù)采用引用捕獲的方式，編譯器直接引用就行了。
唯一需要注意的是，lambda函數(shù)執(zhí)行時(shí)，程序必須保證引用的對(duì)象有效。

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