c++ lambda

Lambda

Lambda 表达式一般用于定义匿名函数，使得代码更加灵活简洁，优点：

1. 声明式编程风格：就地匿名定义目标函数或函数对象，不需要额外写一个命名函数或者函数对象。以更直接的方式去写程序，好的可读性和可维护性。
2. 简洁：不需要额外再写一个函数或者函数对象，避免了代码膨胀和功能分散，让开发者更加集中精力在手边的问题，同时也获取了更高的生产率。
3. 在需要的时间和地点实现功能闭包，使程序更灵活。

Lambda表达式具体形式:

auto func = [capture] (params) opt -> ret { func_body; };

• func：Lambda 表达式的名字，作为一个函数使用；
• capture：捕获列表；
• params：参数列表，如果没有参数，圆括号()可以省略；
• opt：函数选项(mutable, noexcept之类)；
• ret：返回值类型，可以不写，让编译器根据返回值自动推导；
• func_body：函数体。

capture取值：

• [] //未定义变量.试图在Lambda内使用任何外部变量都是错误的
• [x, &y] //x 按值捕获, y 按引用捕获.
• [&] //用到的任何外部变量都隐式按引用捕获
• [=] //用到的任何外部变量都隐式按值捕获
• [&, x] //x显式地按值捕获. 其它变量按引用捕获
• [=, &z] //z按引用捕获. 其它变量按值捕获

捕获本地变量

空的[](Lambda introducer)就不能引用当前范围内的本地变量，只能使用全局变量，或将其他值以参数的形式进行传递。
想要访问一个本地变量，需要对其进行捕获。最简单的方式就是将范围内的所有本地变量都进行捕获，使用[=]就可以。

int a = 0, b = 1;
auto f1 = []{ return a; };               // 错误，没有捕获外部变量
auto f2 = [=]{ return a + b; };          // 正确，捕获所有外部变量，并返回a + b
auto f3 = [=]{ return a++; };            // 错误，a是以复制方式捕获的，无法修改

示例

#include <iostream>
#include <functional>int main() {int i = 111, j = 222, k = 333;auto f = [&i, j, k] { return i + j + k; }; i = 1;j = 2;k = 3;std::cout << f() << std::endl;
}

内部原理

编译器为每个Lambda表达式生成唯一闭包。捕获列表将成为闭包中的构造函数的参数，如果将参数按值捕获，那么相应类型的数据成员将在闭包中创建。此外，可以在Lambda表达式的参数中声明变量/对象，它们将成为调用operator()函数的参数。

• 值捕获

int x = 1; int y = 2;
auto plus = [=] (int a, int b) -> int { return x + y + a + b; };
int c = plus(1, 2);

编译器将翻译为

class LambdaClass {
public:LambdaClass(int x, int y): x_(x), y_(y) {}int operator () (int a, int b) const {return x_ + y_ + a + b;}private:int x_;int y_;
}int x = 1; int y = 2;
LambdaClass plus(x, y);
int c = plus(1, 2);

• 引用捕获

int x = 1; int y = 2;
auto plus = [&] (int a, int b) -> int { x++; return x + y + a + b;};
int c = plus(1, 2);

编译器将翻译为

class LambdaClass {
public:LambdaClass(int& x, int& y): x_(x), y_(y) {}int operator () (int a, int b) {x_++;return x_ + y_ + a + b;}private:int &x_;int &y_;
};

引用捕获变量，和值捕获的方式有3个不同的地方：

1. 参数引用的方式进行传递;
2. 引用捕获在函数体修改变量，会直接修改lambda表达式外部的变量；
3. opeartor()函数不是const的。

lambda的各个成分和类的各个成分对应起来就是如下的关系:

• 捕获列表，对应LambdaClass类的private成员。
• 参数列表，对应LambdaClass类的成员函数的operator()的形参列表
• mutable，对应 LambdaClass类成员函数 operator() 的const属性 ，但是只有在捕获列表捕获的参数不含有引用捕获的情况下才会生效，因为捕获列表只要包含引用捕获，那operator()函数就一定是非const函数。
• 返回类型，对应 LambdaClass类成员函数 operator() 的返回类型
• 函数体，对应 LambdaClass类成员函数 operator() 的函数体。
• 引用捕获和值捕获不同的一点就是，对应的成员是否为引用类型。

Mutable Lambda表达式

Lambda函数的call-operator（调用运算符）隐式为const-by-value（常量，按值捕获），这意味着它是不可变的。 但是函数内部想修改这变量，但是又不想影响lambda表达式外面的值的时候，就直接添加mutable属性，这样调用lambda表达式的时候，会像函数传递参数一样，在内部定义一个变量并拷贝这个值。

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int t = 9;auto f = [t] () mutable {return ++t; };cout << f() << endl;cout << f() << endl;cout << "t:" << t << endl;return 0;
}

捕获的变量t,它在刚开始被捕获的初始值是9，调用一次f之后，变成了10，再调用一次，就变成了11。 但是最终的输出t，也就是main()函数里面定义的t，由于是值捕获，所以它的值一直不会变，最终还将输出9。

Lambda 表达式的类型

lambda 表达式的类型在 C++11 中被称为“闭包类型（Closure Type）”。它是一个特殊的，匿名的非 nunion 的类类型。因此，可以认为它是一个带有 operator() 的类，即仿函数。可以使用 std::function 和 std::bind 来存储和操作 lambda 表达式：

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

对于没有捕获任何变量的 lambda 表达式，还可以被转换成一个普通的函数指针(必须是没有捕获任何变量)：

using func_t = int(*)(int);
func_t f1 = [](int a){ return a; };  // 正确，没有捕获的的lambda表达式可以直接转换为函数指针
f1(123);
func_t f2 = [&](int a){ return a; };  // 错误，有捕获的lambda表达式不能直接转换为函数指针

lambda 表达式可以说是就地定义仿函数闭包的“语法糖”。它的捕获列表捕获住的任何外部变量，最终均会变为闭包类型的成员变量。而一个使用了成员变量的类的 operator()，如果能直接被转换为普通的函数指针，那么 lambda 表达式本身的 this 指针就丢失掉了。而没有捕获任何外部变量的 lambda 表达式则不存在这个问题。这里也可以很自然地解释为何按值捕获无法修改捕获的外部变量。因为按照 C++ 标准，lambda 表达式的 operator() 默认是 const 的。一个 const 成员函数是无法修改成员变量的值的。而 mutable 的作用，就在于取消 operator() 的 const。

Lambda auto参数

在C++ 14中引入的泛型Lambda，它可以使用auto标识符捕获参数。参数声明为auto是借助了模板的推断机制

auto func = [] (auto x, auto y) {return x + y;
};
// 上述的lambda相当于如下类的对象
class X {
public:template<typename T1, typename T2>auto operator() (T1 x, T2 y) const { // auto借助了T1和T2的推断return x + y;}
};func(1, 2);
// 等价于
X{}(1, 2);

constexpr Lambda表达式

C++17前lambda表达式只能在运行时使用，C++17引入了constexpr lambda表达式，可以用于在编译期进行计算。
constexpr lambda 表达式有如下限制：函数体不能包含汇编语句、goto语句、label、try块、静态变量、线程局部存储、没有初始化的普通变量，不能动态分配内存，不能有new delete等，不能虚函数。

#include <iostream>
#include <functional>int main() {constexpr auto lamb = [] (int n) { return n * n; };static_assert(lamb(3) != 9, "a");
}

也可将 lambda 表达式声明为常量表达式或在常量表达式中使用

#include <iostream>
#include <string>constexpr int Increment(int n) {auto add1 = [n]()    //Callable named lambda{return n + 1;};return add1();  //call it
}int main() {constexpr int number3 = Increment(2);std::cout << number3 << std::endl;
}

this拷贝

C++17中，可在lambda表达式的捕获类别里[]写上*this，表示传递到lambda中的是this对象的拷贝。
lambda中的[*this]就是一个对象的拷贝，这意味着传递了d的一个拷贝。因此，线程在调用d的析构函数后使用传递的对象是没有问题的。
如果用[this]、[=]或[&]捕获了，那么线程将运行未定义的行为，因为在传递给线程的lambda中打印name时，lambda将使用已销毁对象的成员。

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>class Data {
private:std::string name;
public:Data(const std::string& s) : name(s) {}std::thread startThreadWithCopyOfThis() const {// start and return new thread using this after 3 seconds:std::thread t([*this]{std::cout << "I will shellp 3 seconds" << std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));std::cout << name << std::endl;});return t;}
};int main()
{std::thread t;{Data d{ "This copy capture in C++17" };t = d.startThreadWithCopyOfThis();} // d已经销毁std::cout << "the main thread wait for sub thread end." << std::endl;t.join();return 0;
}