深入理解c++中的Lambda表达式

Lambda简介

Lambda表达式最重要的特点就是能够极其方便地创建函数对象。

其实，Lambda表达式能做到的事情，手工都能做到，无非就是多打一些字。

但是，Lambda表达式提供的简洁、易用、功能之强大，真是香啊！

总的来说，Lambda表达式经常用于以下场景：

• 标准库STL中使用，如std::find_if, std::remove_if, std::count_if等
• 自定义比较函数的算法，如std::sort, std::nth_element, std::lower_bound等
• 能够为std::unique_ptr/std::shared_ptr快速创建自定义析构器
• 临时创建回调函数、接口适配函数供一次性调用

注意点：

• Lambda是表达式的一种，它是源码组成部分
• 闭包是Lambda表达式创建的运行期对象，根据捕获方式的不同，它持有数据的副本或引用
• 闭包类是实例化闭包的类。每个Lambda表达式都会触发编译器生成一个独一无二的闭包类，闭包中的语句为闭包类成员函数的可执行指令
• Lambda式常用于创建闭包并仅将其用作传递给函数的实参
• 闭包可以复制，对应于一个Lambda表达式的闭包类型可以有多个闭包，如下：

int x;
auto c1 = [x](int y){ return x * y > 34; };
auto c2 = c1; // c2是c1的副本
auto c3 = c2; // c3是c2的副本
// c1，c2，c3都是同一Lambda式产生的闭包的副本

本文不再介绍基本使用，而关注使用经验，如默认捕获可能带来的问题、有哪些好的实践及与std::bind的对比等，关于Lambda表达式的基础知识，请参考 c++中的Lambda表达式

避免默认捕获

先说结论，按引用或按值的默认捕获都可以导致使用空悬的引用，导致程序未定义的行为！

1. 按引用默认捕获

按引用捕获会导致闭包包含对局部变量或定义Lambda式的作用域内（即定义Lambda式的那个函数）的形参的引用。

一旦闭包越过了该局部变量或形参的作用域，它们就会析构，闭包内对它们的引用就会空悬。

举例来说，如下代码：

// 一个添加除数筛选器的函数
void addDivisorFilter()
{
auto divisor = calcDivisor(); // 通过某种方式计算得到除数
// 把函数对象添加到vector中，vecotr的原型为：std::vector<std::function<bool(int)>>
filters.emplace_back(
[&](int value) {return value % divisor == 0;} // 局部变量按引用默认捕获
);
}

注意，默认捕获了对局部变量divisor的引用，当函数走到右大括号时，局部变量析构，而筛选器对函数对象还在傻傻地运行着，但引用已经空悬！

其实，把引用默认捕获修改为 &divisor这样显式捕获时，依然还会存在那个问题。但这样大概能够直接看到这个局部变量在函数返回时就拜拜了，更容易查找问题。

那要怎么办呢，其实也简单，针对本例而言，把按引用的捕获修改为按值的捕获就行了。传入了闭包局部变量的副本，局部变量析构时对它不会有影响。

2. 按值的默认捕获

但按值捕获也非万能之策。

考虑如下代码：

class Foo
{
public:
//...
void addFilter() const;
private:
int divisor;
};
void Foo::addFilter() const
{
filters.emplace_back(
[=](int value) { return value % divisor == 0; } // 按值的默认捕获，能通过编译，但是去掉=号或者直接写divisor捕获，则编译错误
);
}

如果有这个疑问：divisor并不是在创建Lambda式的作用域内可见的非静态局部变量或形参，它是怎么通过编译的？就要了解一下this裸指针的隐式应用了。

类内的每一个非静态成员函数都持有一个this，每当使用类的成员变量时，实际上使用的是 this->localVarName。

所以在成员函数内按值默认捕获，就捕获了this。使用的也是 this->divisor，而不是单个变量。那么，既然是这样，this的生命期就重要了，它可不能比闭包短哦。

但下面的代码就没有那么幸运了：

void doSomework()
{
auto pf = std::make_unique<Foo>(); // 使用智能指针，以自动管理资源，注意，需要c++14
pf->addFilter(); // 使用addFilter函数，添加筛选器函数对象，它会捕获this
}

如注释所言，但是当该函数结束时，pf也就要销毁了，this将不复存在，啊，filters中就含有了空悬指针的元素。只能加班调试了。

怎么解决这个问题呢？

简单的方法是，在addFilter函数中先创建一个divisor的局部变量，再按值捕获即可。这规避了捕获this的问题。

c++14中有更好更直接的方法，就是广义Lambda捕获。如下：

// c++14
void Foo::addFilter() const
{
filters.emplace_back(
[divisor=divisor](int value) { return value % divisor == 0; } // 广义Lambda捕获，把等号右侧的变量赋值给左侧变量，左侧变量作为闭包的参数，不会空悬
);
}

完美！

注意，虽然Lambda表达式只能捕获创建Lambda式的作用域内可见的非静态局部变量或形参，但Lambda式内依然可以使用静态存储期对象。按值捕获可能会产生误解。

如下代码改自上述示例：

// 一个添加除数筛选器的函数
void addDivisorFilter()
{
static auto divisor = calcDivisor(); // 现在为static
// 把函数对象添加到vector中，vecotr的原型为：std::vector<std::function<bool(int)>>
filters.emplace_back(
[=](int value) {return value % divisor == 0;} // 局部变量按值默认捕获，实际上未捕获任何变量，因为divisor是static的
);
++divisor;
}

你以为divisor是按值捕获，所以闭包内是它的副本，它永远正确不会改变。

但你以为的是你以为的，不是我以为的。你只是使用了static的divisor，按值的默认捕获未捕获任何东西！所以注意到最后一行的自增操作，你的程序每运行一次，divisor都会不一样哦！哈哈，又要加班调试了。

所以，尽量不要使用默认捕获模式。

c++14中的初始化捕获

c++14中不再支持默认捕获，而是改为初始化捕获（即前文使用过的广义Lambda捕获）。使用初始化捕获，有以下特点：

• 指定由Lambda式生成的闭包类中成员变量的名字
• 指定用以初始化成员变量的表达式
• 支持移动对象

示例如下：

class Foo
{
public:
bool isValidated() const;
}
auto func = [pf = std::make_unique_ptr<Foo>()] {return pf->isValidated();}; // 初始化捕获支持表达式

其中，捕获语句中：

• 等号左侧为闭包类的成员变量的名字，作用域为闭包类的作用域
• 等号右侧为初始化表达式，作用域与Lambda表达式定义处的作用域相同

与使用c11的Lambda式经常出现的问题相比，c14无疑是更好的选择。

优先选用Lambda式而非std::bind

两者对比：

• Lambda式可读性高，编写简单，代码量少，bind会出现类似_1占位符（占位符难以理解，其具体类型需要查看原函数声明才能得知）
• 对于需要调用重载函数时，Lambda式不会有歧义，当重载函数更改后能自动适配，bind需要通过强制类型转换到函数指针再使用
• 由于Lambda式可以被编译器内联，而函数指针不可以，所以使用Lambda有可能生成运行效率更高的代码
• bind对于实参是按值传递的事实未明显标示，对形参使用引用传递也是如此，使用Lambda式都是显式标识的

使用bind的场合：

• 移动捕获。c11中未提供移动捕获特性，只能通过结合bind来模拟。
• 多态函数对象。因为绑定对象的函数调用运算符利用了完美转发，可以接受任意类型的实参。如：

class PolyFoo
{
public:
template<typename T>
void operator()(const T& param);
}
PolyFoo pf;
auto boundPF = std::bind(pf, _1); // 可以通过任意类型的实参调用
// boundPf(200);
// boundPf(nullptr);
// boundPf("abc");

其实，上述两种使用场合在c14中已经不复存在：

• c14默认直接支持移动，直接使用初始化捕获std::move即可
• 使用auto类型形参的Lambda式，如下：

auto boundPF = [pf](const auto& param) { pf(param); };

总之，在现代化的代码中，尽量Lambda表达式会带来很多好处。

总结

Lambda表达式使用中，会有一些陷阱，需要注意，不要使用默认的捕获。

c14中，使用初始化捕获，不再支持默认捕获，这是一个非常有益的变动，推荐使用。

在c14中，Lambda表达式基本可以取代难懂的bind，并更有可能获得高效的执行代码。

参考资料

《Effective Modern C++》

最后

以上就是无私热狗为你收集整理的深入理解c++中的Lambda表达式的全部内容，希望文章能够帮你解决深入理解c++中的Lambda表达式所遇到的程序开发问题。

如果觉得靠谱客网站的内容还不错，欢迎将靠谱客网站推荐给程序员好友。