C++ Lambda表达式的完整介绍

c++在c++11标准中引入了lambda表达式，一般用于定义匿名函数，使得代码更加灵活简洁。lambda表达式与普通函数类似，也有参数列表、返回值类型和函数体，只是它的定义方式更简洁，并且可以在函数内部定义。

什么是Lambda表达式

最常见的lambda的表达式写法如下

auto plus = [] (int v1, int v2) -> int { return v1 + v2; }
int sum = plus(1, 2);

这里只是计算两个数的和，我们一般情况下肯定是不会这么用的，更多的时候，我们都是和stl的一些算法结合使用，例如自定义一个结构体的排序规则和打印。

struct Item
{
    Item(int aa, int bb) : a(aa), b(bb) {} 
    int a;
    int b;
};
	
int main()
{
    std::vector<Item> vec;
    vec.push_back(Item(1, 19));
    vec.push_back(Item(10, 3));
    vec.push_back(Item(3, 7));
    vec.push_back(Item(8, 12));
    vec.push_back(Item(2, 1));

    // 根据Item中成员a升序排序
    std::sort(vec.begin(), vec.end(),
        [] (const Item& v1, const Item& v2) { return v1.a < v2.a; });

    // 打印vec中的item成员
    std::for_each(vec.begin(), vec.end(),
        [] (const Item& item) { std::cout << item.a << " " << item.b << std::endl; });
	return 0;
}

这样的写法让我们代码更加简洁、清晰，可读性更强。

在c++的官方文档中，给出了lamda表达式的四种写法，这里知乎的排版有点难用，所以直接在官方文档上截了一个图。

下面介绍一下lambda的四种表达式的含义，以及表达式中各个成分的，其实说白就是在自己理解的基础上翻译一下官方文档。

四种表达式的含义

（1）完整的lambda表达式，包含了lambda表达式的所有成分。

（2）常量lambda表达式，捕获的变量都是常量，不能在lambda表达式的body中进行修改。

（3）和（2）基本一致，唯一的区别就是，lambda表达式的函数返回值可以通过函数体推导出来。一般情况函数返回值类型明确或者没有返回值的情况下可以这样写。

（4）lambda表达式的函数没有任何参数，但是可以添加lambda-specifiers，lambda-specifiers是什么我们后续再介绍。

lambda表达式各个成员的解释

captures?捕获列表，lambda可以把上下文变量以值或引用的方式捕获，在body中直接使用。

tparams?模板参数列表(c++20引入)，让lambda可以像模板函数一样被调用。

params?参数列表，有一点需要注意，在c++14之后允许使用auto左右参数类型。

lambda-specifiers?lambda说明符，?一些可选的参数，这里不多介绍了，有兴趣的读者可以去官方文档上看。这里比较常用的参数就是mutable和exception。其中，表达式(1)中没有trailing-return-type，是因为包含在这一项里面的。

trailing-return-type?返回值类型，一般可以省略掉，由编译器来推导。

body?函数体，函数的具体逻辑。

捕获列表

上面介绍完了lambda表达式的各个成分，其实很多部分和正常的函数没什么区别，其中最大的一个不同点就是捕获列表。我在刚开始用lambda表达式的时候，还一直以为这个没啥用，只是用一个 [] 来标志着这是一个lambda表达式。后来了解了才知道，原来这个捕获列表如此强大，甚至我觉得捕获列表就是lambda表达式的灵魂。下面先介绍几种常用的捕获方式。

[]?什么也不捕获，无法lambda函数体使用任何

[=]?按值的方式捕获所有变量

[&]?按引用的方式捕获所有变量

[=, &a]?除了变量a之外，按值的方式捕获所有局部变量，变量a使用引用的方式来捕获。这里可以按引用捕获多个，例如 [=, &a, &b,&c]。这里注意，如果前面加了=，后面加的具体的参数必须以引用的方式来捕获，否则会报错。

[&, a]?除了变量a之外，按引用的方式捕获所有局部变量，变量a使用值的方式来捕获。这里后面的参数也可以多个，例如 [&, a, b, c]。这里注意，如果前面加了&，后面加的具体的参数必须以值的方式来捕获。

[a, &b]?以值的方式捕获a，引用的方式捕获b，也可以捕获多个。

[this]?在成员函数中，也可以直接捕获this指针，其实在成员函数中，[=]和[&]也会捕获this指针。

#include <iostream>

int main()
{
    int a = 3;
    int b = 5;
    
    // 按值来捕获
    auto func1 = [a] { std::cout << a << std::endl; };
    func1();

    // 按值来捕获
    auto func2 = [=] { std::cout << a << " " << b << std::endl; };
    func2();

    // 按引用来捕获
    auto func3 = [&a] { std::cout << a << std::endl; };
    func3();

    // 按引用来捕获
    auto func4 = [&] { std::cout << a << " " << b << std::endl; };
    func4();
}

编译器如何看待Lambda表达式

我们把lambda表达式看成一个函数，那编译器怎么看待我们协的lambda呢？

其实，编译器会把我们写的lambda表达式翻译成一个类，并重载 operator()来实现。比如我们写一个lambda表达式为

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

那么编译器会把我们写的表达式翻译为

// 类名是我随便起的
class LambdaClass
{
public:
    int operator () (int a, int b) const
    {
        return a + b;
    }
};

LambdaClass plus;
int c = plus(1, 2);

调用的时候编译器会生成一个Lambda的对象，并调用opeartor ()函数。（备注：这里的编译的翻译结果并不和真正的结果完全一致，只是把最主要的部分体现出来，其他的像类到函数指针的转换函数均省略）

上面是一种调用方式，那么如果我们写一个复杂一点的lambda表达式，表达式中的成分会如何与类的成分对应呢？我们再看一个 值捕获 例子。

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

编译器的翻译结果为

class LambdaClass
{
public:
    LambdaClass(int xx, int yy)
    : x(xx), y(yy) {}

    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);

其实这里就可以看出，值捕获时，编译器会把捕获到的值作为类的成员变量，并且变量是以值的方式传递的。需要注意的时，如果所有的参数都是值捕获的方式，那么生成的operator()函数是const函数的，是无法修改捕获的值的，哪怕这个修改不会改变lambda表达式外部的变量，如果想要在函数内修改捕获的值，需要加上关键字 mutable。向下面这样的形式。

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

我们再来看一个引用捕获的例子。

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

编译器的翻译结果为

class LambdaClass
{
public:
    LambdaClass(int& xx, int& yy)
    : x(xx), y(yy) {}

    int operator () (int a, int b)
    {
        x++;
        return x + y + a + b;
    }

private:
    int &x;
    int &y;
};

我们可以看到以引用的方式捕获变量，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。

针对上面的集中情况，我们把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。

参考文章:

Lambda expressions

C++ Lambda 编译器实现原理