深入理解C++11:探索lambda函数的奥秘
一、C++98中的排序
在 C++98 中,如果要对一个数据集合中的元素进行排序,可以使用 std::sort 方法,下面代码是对一个整型集合进行排序。
#include <algorithm> #include <functional> #include <iostream> using namespace std; int main() { int array[] = { 4,1,8,5,3,7,0,9,2,6 }; cout << "原始数组:"; for (auto e : array) { cout << e << ' '; } cout << endl << endl << "排升序:"; // 默认按照小于比较,排出来结果是升序 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,需要改变元素的比较规则 std::sort(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]), greater<int>()); for (auto e : array) { cout << e << ' '; } return 0; }
小Tips:上面的 greater
是一个仿函数,这里传递仿函数是用来控制大小比较的。关于仿函数,在前面的文章中已经多次使用,在【C++杂货铺】优先级队列的使用指南与模拟实现一文中,我们使用仿函数来进行大小比较;在【C++杂货铺】一文带你走进哈希:哈希冲突 | 哈希函数 | 闭散列 | 开散列一文中,我们使用仿函数来获取 pair<K, V> 模型中的 key。总之,仿函数有着十分强大的功能。
如果待排序的元素为自定义类型,由于自定义类型中可能有多重不同的属性,因此需要用户自己来定义排序时的比较规则:
struct Goods { string _name; // 名字 double _price; // 价格 int _evaluate; // 评价 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 = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2, 3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } }; cout << "排序前:"; for (auto e : v) { cout << e << ' '; } cout << endl << endl << "按照价格排升序:"; sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess()); for (auto e : v) { cout << e << ' '; } cout << endl << endl << "按照价格排降序:"; sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater()); for (auto e : v) { cout << e << ' '; } cout << endl << endl << "按照评价排升序:"; sort(v.begin(), v.end(), CompareevaluateLess()); for (auto e : v) { cout << e << ' '; } cout << endl << endl << "按照评价排降序:"; sort(v.begin(), v.end(), CompareevaluateGreater()); for (auto e : v) { cout << e << ' '; } cout << endl; }
小Tips:上面代码中如果要使用库里面的仿函数 less
或 greater
,需要对 >
、<
进行运算符重载,实现 Goods
类的大小比较。但是上面的代码中并没有采取这种做法,而是直接自己写了两个仿函数进行大小关系的比较。前面那种提供运算符重载的方法比较局限,因为无论是 <
还是 >
都只能重载一份,即 operator<
和 operator>
各自只能在代码中出现一份,且它们的内部只能根据一种属性进行大小比较,在同一段代码中不能实现根据不同属性去排序。而自己写仿函数就不会出现这种情况,我们可以在同一段代码中根据不同的属性去写不同的仿函数(只要类名不同即可)。
随着 C++ 语法的发展,人们开始觉得上面的写法太复杂了,每次为了实现一个排序算法,都要重新去写一个类(仿函数,实现大小比较),如果每次比较的逻辑不一样,还要去实现多个类,特别是相同类的命名,这些都给编程者带来了极大的不便。因此,在 C++11 语法中出现了 Lambda 表达式。
二、先来看看 lambda 表达式长什么样
struct Goods { string _name; // 名字 double _price; // 价格 int _evaluate; // 评价 Goods(const char* str, double price, int evaluate) :_name(str) , _price(price) , _evaluate(evaluate) {} }; int main() { vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2, 3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } }; cout << "排序前:"; for (auto e : v) { cout << e << ' '; } cout << endl << endl << "按照价格排升序:"; 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 << "按照价格排降序:"; 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 << "按照评价排升序:"; 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 << "按照评价排降序:"; 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; }
小Tips:上述代码就是使用 C++11 中的 lambda 表达式来解决,可以看出 lambda 表达式实际是一个匿名函数对象。
三、lambda表达式语法
lambda 表达式书写格式为:[capture-list](parameters) mutable-> return-type {statement}。
[capture-list]:捕捉列表。该列表总是出现在 lambda 函数的开始位置,编译器根据 [ ] 来判断后面的代码是否是 lambda 函数,捕捉列表能够捕捉上下文中的变量供 lambda 函数使用。
(parameters):参数列表。与普通函数的参数列表一致,如果不需要参数传递,则可以连同 () 一起省略。
mutable:默认情况下,lambda 函数总是一个 const 函数,mutable 可以取消其常量性。使用该修饰符时,参数列表不可省略(即使参数为空)。
->returntype:返回值类型。用追踪返回类型形式声明函数的返回值类型,没有返回值时此部分可以省略。返回值类型明确的情况下,也可以省略,由编译器对返回值类型进行推断。
{statement}:函数体。在该函数体内,除了可以使用其参数外,还可以使用所有捕捉到的变量。
小Tips:在 lambda 函数定义中,参数列表和返回值类型都是可选部分,而捕捉列表和函数体可以为空。因此 C++11 中最简单的 lambda 函数为:[]{};
。该 lambda 函数不能做任何事情。
实例:
int AddFunc(int x, int y) { return x + y; } int num1 = 10, num2 = 20; int main() { // 实现两个数相加的 lambda 函数 int a = 1, b = 10; auto add = [](int x, int y)->int {return x + y; }; cout << add(a, b) << endl; // 实现两个函数交换的 lambda 函数 auto swap = [add, a, b](int& x, int& y) { int tmp = x; x = y; y = tmp; // cout << add(a, b) << endl; // 在 lambda 函数的函数体中无法直接使用局部的 lambda 函数或者变量(对象). //cout << AddFunc(a, b) << endl; // 在 lambda 函数的函数体中可以直接使用全局的函数或者变量(对象). cout << AddFunc(num1, num2) << endl; // 在 lambda 函数的函数体中可以直接使用全局的函数或者变量(对象). }; swap(a, b); return 0; }
小Tips:在 lambda 函数的函数体中可以调用全局的函数,使用全局的变量。但是要想在 lambda 的函数体中使用局部的变量或对象,则需要通过捕捉列表或者参数列表。
3.1 捕捉列表的使用细节
捕捉列表描述了上下文中哪些数据可以被 lambda 使用,以及使用的方式是传值还是传引用。
[var]
:表示值传递方式捕捉变量 var。
[=]
:表示值传递方式捕捉所有父作用域中的变量(包括this)。
[&var]
:表示引用传递捕捉变量 var。
[&]
:表示引用方式传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)。
[this]
:表示值传递方式捕捉当前的 this 指针。
小Tips:
父作用域指包含 lambda 函数语句块的作用域。
值传递方式捕捉到的变量本质上是父作用域中变量的一份拷贝,在默认情况下会对捕捉到的变量加上 const
属性,即不可以在 lambda 函数体中对捕捉到的变量进行修改。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
的一份拷贝,并且默认给捕捉列表中的 x
和 y
加上了 const
属性。
引用传递方式既可以捕捉普通的变量也可以捕捉 const
变量。
语法上捕捉列表可以由多个捕捉项组成,并以逗号隔开。例如:[=, &a, &b]
:以引用传递的方式捕捉变量 a
和 b
,以值传递方式捕捉其他所有变量;[&, a, this]
:以值传递方式捕捉变量 a
和 this
,以引用方式捕捉其他变量。如果由多个捕捉项组成,=
和 &
只能出现在捕捉列表的开头,即 [&a, &b, = ]
这样写是错误的。
捕捉列表不允许变量重复传递,否则就会导致编译出错。例如:[=, a]
:= 已经以值传递的方式捕捉了所有变量,在去捕捉 a
就会导致重复捕捉。
在块作用域以外的 lambda 函数捕捉列表必须为空。
在块作用域中的 lambda 函数仅能捕捉父作用域中的局部变量,捕捉任何非此作用域或者 非局部变量都会导致编译报错。
lambda 表达式之间不能相互赋值,即使看起来类型相同。
四、lambda 的底层原理
lambda 看起来很厉害,但它本质上就是仿函数。
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; }
如上面代码所示,两个仿函数对象 func1
和 func2
它们看起来是一模一样的,但是通过打印它们各自的类型可以看出,它们的类型有所不同,因此 func1
和 func2
本质上就是两个不同的类对象,所以 lambda 表达式之间不能相互赋值,即使看起来类型相同。func1(1, 2)
本质上就是 func1
这个仿函数的对象在调用 operator()
。
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