遇見C++ Lambda

遇見C++ Lambda

 

Written by Allen Lee

 

If you die when there's no one watching, and your ratings drop and you're forgotten.

– Marilyn Manson, Lamb Of God

 

產生隨機數字

      假設我們有一個vector<int>容器，想用100以內的隨機數初始化它，其中一個辦法是通過generate函數產生，如代碼1所示。generate函數接受三個參數，前兩個參數指定容器的起止位置，後一個參數指定產生邏輯，這個邏輯正是通過Lambda來表達的。

代碼 1

      我們現在看到Lambda是最簡形式，只包含捕獲子句和函數體兩個必要部分，其他部分都省略了。[]是Lambda的捕獲子句，也是引出Lambda的文法，當編譯器看到這個符號時，就知道我們在寫一個Lambda了。函數體通過{} 包圍起來，裡面的代碼和一個普通函數的函數體沒有什麼不同。

      那麼，代碼1產生的隨機數字裡有多少個奇數呢，我們可以通過for_each函數數一下，如代碼3所示。和generate函數不同的是，for_each函數要求我們提供的Lambda接受一個參數。一般情況下，如果Lambda的參數列表不包含任何參數，我們可以把它省略，就像代碼1所示的那樣；如果包含多個參數，可以通過逗號分隔，如(int index, std::string item)。

代碼 2

      看到這裡，細心的讀者可能已經發現代碼2的捕獲子句裡面多了一個"&odd_count"，這是用來幹嘛的呢？我們知道，這個代碼的關鍵區段是在Lambda的函數體裡修改一個外部的計數變數，常見的語言（如C#）會自動為Lambda捕獲當前內容相關的所有變數，但C++要求我們在Lambda的捕獲子句裡顯式指定想要捕獲的變數，否則無法在函數體裡使用這些變數。如果捕獲子句裡面什麼都不寫，像代碼1所示的那樣，編譯器會認為我們不需要捕獲任何變數。

      除了顯式指定想要捕獲的變數，C++還要求我們指定這些變數的傳遞方式，可以選擇的傳遞方式有兩種：按值傳遞和按引用傳遞。像[&odd_count] 這種寫法是按引用傳遞，這種傳遞方式使得你可以在Lambda的函數體裡對odd_count變數進行修改。相對的，如果變數名字前面沒有加上"&"就是按值傳遞，這些變數在Lambda的函數體裡是唯讀。

      如果你希望按引用傳遞捕獲當前內容相關的所有變數，可以把捕獲子句寫成[&]；如果你希望按值傳遞捕獲當前內容相關的所有變數，可以把捕獲子句寫成[=]。如果你希望把按引用傳遞設為預設的傳遞方式，同時指定個別變數按值傳遞，可以把捕獲子句寫成[&, a, b]；同理；如果預設的傳遞方式是按值傳遞，個別變數按引用傳遞，可以把捕獲子句寫成[=, &a, &b]。值得提醒的是，像[&, a, &b]和[=, &a, b]這些寫法是無效的，因為預設的傳遞方式均已覆蓋b變數，無需單獨指定，有效寫法應該是[&, a]和[=, &a]。

 

產生等差數列

      現在我們把一開始的問題改一下，通過generate函數產生一個首項為0，公差為2的等差數列。有了前面關於捕獲子句的知識，我們很容易想到代碼3這個方案，首先按引用傳遞捕獲i變數，然後在Lambda的函數體裡修改它的值，並返回給generate函數。

代碼 3

      如果我們把i變數的傳遞方式改成按值傳遞，然後在捕獲子句後面加上mutable聲明，如代碼4所示，我們可以得到相同的效果，我指的是輸出結果。那麼，這兩個方案有什麼不一樣呢？調用generate函數之後檢查一下i變數的值就會找到答案了。需要說明的是，如果我們加上mutable聲明，參數列表就不能省略了，即使裡面沒有包含任何參數。

代碼 4

      使用代碼3這個方案，i變數的值在調用generate函數之後是18，而使用代碼4這個方案，i變數的值是-2。這個意味著mutable聲明使得我們可以在Lambda的函數體修改按值傳遞的變數，但這些修改對Lambda以外的世界是不可見的，有趣的是，這些修改在Lambda的多次調用之間是共用的。換句話說，代碼4的generate函數調用了10次Lambda，前一次調用時對i變數的修改結果可以在後一次調用時訪問得到。

      這聽起來就像有個對象，i變數是它的成員欄位，而Lambda則是它的成員函數，事實上，Lambda是函數對象（Function Object）的文法糖，代碼4的Lambda最終會被轉換成代碼5所示的Functor類。

代碼 5

你也可以把代碼4的Lambda替換成Functor類，如代碼6所示。

代碼 6

 

如何聲明Lambda的類型？

      到目前為止，我們都是把Lambda作為參數直接傳給函數的，如果我們想把一個Lambda傳給多個函數，或者把它當作一個函數多次調用，那麼就得考慮把它存到一個變數裡了，問題是這個變數應該如何聲明呢？如果你確實不知道，也不想知道，那麼最簡單的辦法就是交給編譯器處理，如代碼7所示，這裡的auto關鍵字相當於C#的var，編譯器會根據我們用來初始化f1變數的值推斷它的實際類型，這個過程是靜態，在編譯時間完成。

代碼 7

      如果我們想定義一個接受代碼7的Lambda作為參數的函數，那麼這個參數的類型又該如何寫呢？我們可以把它聲明為function模板類型，如代碼8所示，裡面的型別參數反映了Lambda的簽名——兩個int參數，一個int傳回值。

代碼 8

此外，你也可以把這個函式宣告為模板函數，如代碼9所示。

代碼 9

無論你如何聲明這個函數，調用的時候都是一樣的，而且它們都能接受Lambda或者函數對象作為參數，如代碼10所示。

代碼 10

 

捕獲變數的值什麼時候確定？

      現在，我要把代碼7的Lambda調整成代碼11所示的那樣，通過捕獲子句而不是參數列表提供輸入，這兩個參數分別使用不同的傳遞方式，那麼，我在第三行修改這兩個參數的值會否對第四行的調用產生影響？

代碼 11

      如果你運行代碼11，你將會看到輸出結果是5。為什嗎？這是因為按值傳遞在聲明Lambda的那一刻就已經確定變數的值了，無論之後外面怎麼修改，裡面只能訪問到聲明時傳過來的版本；而按引用傳遞則剛好相反，裡面和外面看到的是同一個東西，因此在調用Lambda之前外面的任何修改對裡面都是可見的。這種問題在C#裡是沒有的，因為C#只有按引用傳遞這種方式。

 

傳回值的類型什麼時候可以省略？

      最後，我們一直沒有提到傳回值的類型，編譯器會一直幫我們自動推斷嗎？不會，只有兩種情況可以在聲明Lambda時省略傳回值類型，而前面的例子剛好都滿足這兩種情況，因此推到現在才說：

• 函數體只包含一條返回語句，如最初的代碼1所示。
• Lambda沒有傳回值，如代碼2所示。

當你需要加上傳回值的類型時，必須把它放在參數列表後面，並且在傳回值類型前面加上"->"符號，如代碼12所示。

代碼 12

 

*以上代碼均在Visual Studio 2010和Visual Studio 2012 RC上測試通過。