现代C++ 如何使用 Lambda 使代码更具表现力、更容易理解？

一、Lambda VS. 仿函数

Lambda 是 C++11 中最引人注目的语言特性之一。它是一个强大的工具，但必须正确使用才能使代码更具表现力，而不是更难理解。

首先，要明确的是，Lambda 并没有为语言添加新的功能。任何可以用 Lambda 完成的事情，都可以用仿函数（Functor）来完成，虽然仿函数的语法更繁琐，需要更多的类型声明。

例如，比较检查一个整数集合中所有元素是否都在两个整数 a 和 b 之间的两种方式：

• 仿函数。
• Lambda 表达式。

仿函数版本：

class IsBetween
{
public:IsBetween(int a, int b) : a_(a), b_(b) {}bool operator()(int x) { return a_ <= x && x <= b_; }
private:int a_;int b_;
};bool allBetweenAandB = std::all_of(numbers.begin(), numbers.end(), IsBetween(a, b));

Lambda 版本：

bool allBetweenAandB = std::all_of(numbers.begin(), numbers.end(),[a,b](int x) { return a <= x && x <= b; });

很明显，Lambda 版本更简洁，更易于编写，这可能是 Lambda 在 C++ 中备受关注的原因。

对于像检查一个数字是否在两个边界之间这样简单的操作，许多人可能会同意 Lambda 是更好的选择。但也并非所有情况下都是如此。

除了编写和简洁性之外，在前面的例子中，Lambda 和仿函数之间的两个主要区别是：

• Lambda 没有名字。
• Lambda 不隐藏其代码，而是直接在调用点展示。

但是，通过调用具有有意义名称的函数将代码从调用点移出，是管理抽象级别的一种基本技巧。但是，上面的例子是可以接受的，因为这两个表达式：

IsBetween(a, b)

和

[a,b](int x) { return a <= x && x <= b; }

读起来很相似。它们的抽象级别是一致的。

但是，当代码变得更加复杂时，结果就会大不相同，以下例子将说明这一点。

一个表示盒子的类的例子，它可以根据尺寸和材质（金属、塑料、木材等）进行构建，并提供对盒子特性的访问：

class Box
{
public:Box(double length, double width, double height, Material material);double getVolume() const;double getSidesSurface() const;Material getMaterial() const;
private:double length_;double width_;double height_;Material material_;
};

有一个这样的盒子集合：

std::vector<Box> boxes = ....

想要选择能够安全地容纳某种产品（水、油、果汁等）的盒子。

通过一些物理推理，可以近似地将产品对盒子四个侧面的压力视为产品的重量，它分布在这些侧面的表面上。如果材料能够承受施加的压力，则盒子足够坚固。

假设材料可以承受的最大压力为：

class Material
{
public:double getMaxPressure() const;....
};

产品提供了它的密度，以便计算它的重量：

class Product
{
public:double getDensity() const;....
};

现在，要选择能够安全地容纳产品 product 的盒子，可以使用 STL 和 Lambda 编写以下代码：

std::vector<Box> goodBoxes;
std::copy_if(boxes.begin(), boxes.end(), std::back_inserter(goodBoxes),[product](const Box& box){const double volume = box.getVolume();const double weight = volume * product.getDensity();const double sidesSurface = box.getSidesSurface();const double pressure = weight / sidesSurface;const double maxPressure = box.getMaterial().getMaxPressure();return pressure <= maxPressure;});

以下是等效的仿函数定义：

class Resists
{
public:explicit Resists(const Product& product) : product_(product) {}bool operator()(const Box& box){const double volume = box.getVolume();const double weight = volume * product_.getDensity();const double sidesSurface = box.getSidesSurface();const double pressure = weight / sidesSurface;const double maxPressure = box.getMaterial().getMaxPressure();return pressure <= maxPressure;}
private:Product product_;
};

在主代码中：

std::vector<Box> goodBoxes;
std::copy_if(boxes.begin(), boxes.end(), std::back_inserter(goodBoxes), Resists(product));

尽管仿函数仍然需要更多的类型声明，但使用仿函数的算法代码行看起来比使用 Lambda 更清晰。不幸的是，对于 Lambda 版本来说，这一行代码更重要，因为它是主要代码。

在这里，Lambda 的问题在于它展示了如何进行盒子检查，而不是简单地说检查已经完成，因此它的抽象级别太低了。在该示例中，它会影响代码的可读性，因为它迫使读者深入 Lambda 的主体以弄清楚它做了什么，而不是简单地说明它做了什么。

在这里，有必要将代码从调用点隐藏，并为它赋予一个有意义的名称。仿函数在这方面做得更好。

但这是否意味着不应该在任何非平凡的情况下使用 Lambda？当然不是。

Lambda 被设计得比仿函数更轻便、更方便，同时仍然保持抽象级别有序。这里的技巧是通过使用中间函数将 Lambda 的代码隐藏在一个有意义的名称后面。以下是 C++14 中实现此目的的方法：

auto resists(const Product& product)
{return [product](const Box& box){const double volume = box.getVolume();const double weight = volume * product.getDensity();const double sidesSurface = box.getSidesSurface();const double pressure = weight / sidesSurface;const double maxPressure = box.getMaterial().getMaxPressure();return pressure <= maxPressure;};
}

在这里，Lambda 被封装在一个函数中，该函数只是创建它并返回它。这个函数的作用是将 Lambda 隐藏在一个有意义的名称后面。

以下是主代码，它从实现负担中解脱出来：

std::vector<Box> goodBoxes;
std::copy_if(boxes.begin(), boxes.end(), std::back_inserter(goodBoxes), resists(product));

现在，为了使代码更具表现力，在本文的其余部分使用范围（Range）而不是 STL 迭代器：

auto goodBoxes = boxes | ranges::view::filter(resists(product));

当调用算法周围有其他代码时，隐藏实现的必要性变得更加重要。为了说明这一点，添加一个要求，即盒子必须从用逗号分隔的文本测量描述（例如，“16,12.2,5”）和所有盒子的唯一材料进行初始化。

如果直接调用即时 Lambda，结果将如下所示：

auto goodBoxes = boxesDescriptions| ranges::view::transform([material](std::string const& textualDescription){std::vector<std::string> strSizes;boost::split(strSizes, textualDescription, [](char c){ return c == ','; });const auto sizes = strSizes | ranges::view::transform([](const std::string& s) {return std::stod(s); });if (sizes.size() != 3) throw InvalidBoxDescription(textualDescription);return Box(sizes[0], sizes[1], sizes[2], material);})| ranges::view::filter([product](Box const& box){const double volume = box.getVolume();const double weight = volume * product.getDensity();const double sidesSurface = box.getSidesSurface();const double pressure = weight / sidesSurface;const double maxPressure = box.getMaterial().getMaxPressure();return pressure <= maxPressure;});

这变得非常难以阅读。但是，通过使用中间函数来封装 Lambda，代码将变成：

auto goodBoxes = textualDescriptions | ranges::view::transform(createBox(material))| ranges::view::filter(resists(product));

这才是希望代码呈现的样子。

请注意，这种技术在 C++14 中有效，但在 C++11 中略有不同。

Lambda 的类型没有在标准中指定，而是由编译器的实现决定。这里，auto 作为返回值类型允许编译器将函数的返回值类型写为 Lambda 的类型。但在 C++11 中，不能这样做，因此需要指定一些返回值类型。Lambda 可以隐式转换为具有正确类型参数的 std::function，并且可以在 STL 和范围算法中使用。请注意，std::function 会带来与堆分配和虚拟调用间接相关的额外成本。

在 C++11 中，resists 函数的建议代码将是：

std::function<bool(const Box&)> resists(const Product& product)
{return [product](const Box& box){const double volume = box.getVolume();const double weight = volume * product.getDensity();const double sidesSurface = box.getSidesSurface();const double pressure = weight / sidesSurface;const double maxPressure = box.getMaterial().getMaxPressure();return pressure <= maxPressure;};
}

请注意，在 C++11 和 C++14 的实现中，resists 函数返回的 Lambda 可能不会被复制，因为返回值优化可能会优化掉它。还要注意，返回 auto 的函数必须在其调用点可见。因此，这种技术最适合在与调用代码相同的文件中定义的 Lambda。

二、总结

• 对于对抽象级别透明的函数，请使用在调用点定义的匿名 Lambda。
• 否则，将 Lambda 封装在一个中间函数中。