Modern C++特性：lambda表达式

Lambda表达式就是匿名函数，在C++11之前Boost凭借C++语言强大的template和预处理宏，以及库作者强悍的奇技淫巧实现了Boost.lambda和更高级用法Boost.phoenix，但没有语言层面的支持，完全用库实现不但稍显累赘，而且代码观感不佳。C++11在语言层面实现了lambda，语法定义如下：

[capture](parameters)mutable -> return-value { statement }

• [capture]
  ：捕捉列表，可以捕捉上下文中的变量以供lambda表达式使用。

• (parameters)
  ：参数列表，同普通函数相同的参数列表定义，如果没有参数，可以留空括号  ()
  ，甚至连空括号都省略。在C++11中lambda参数类型不能自动推导，即不能为auto，在C++14中已经支持。而且C++14 起，lambda 能拥有自身的默认实参，诸如  [](int i = 6) { return i + 4; }
  。

• mutable
  ：默认情况下lambda表达式是一个  const
  函数，但可以显式指定  mutable
  取消其常量性，这时不能省略空参数列表的空括号  ()
  。

• -> return-value
  ：返回类型，如果没有返回类型（即  void
  ），可以全部省略。如果返回类型明确，也可以省略，让编译器进行自动类型推导。

• { statement }
  ：函数体，跟普通函数相同的用法。

所以一个最简单的lambda表达式是这样的：

1. []{}

尽管它什么事都没干，也没什么作用，但确实是一个合法的lambda表达式。
捕捉列表可以有0个，或1个，或多个捕捉项，以逗号分隔，C++11中可以有以下几种形式：

1. [var]
   ，表示值传递方式捕捉变量  var
   。

2. [&var]
   ，表示引用传递方式捕捉变量  var
   。

3. [=]
   ，表示值传递方式捕捉所有父作用域的变量。

4. [&]
   ，表示引用传递方式捕捉所有父作用域的变量。

5. [this]
   ，表示捕捉当前  this
   指针，C++11/C++14不能捕捉  *this
   ，但在C++17中已经可以捕捉，这解决了当前对象因为引用捕捉导致对象生命周期强制限制的问题。  this
   也包括在  [=]
   和  [&]
   中。

C++14中新增了初始化列表的捕捉变量形式：

1. [var=expr]
   ，表示值传递方式捕捉变量  var
   ，而且  var
   以表达式  expr
   进行初始化。

2. [&var=expr]
   ，表示引用传递方式捕捉变量  var
   ，而且  var
   以表达式  expr
   进行初始化。

此类捕捉变量的行为如同它声明并显式捕捉一个以类型 auto
声明的变量，该变量的声明区是 lambda表达式体（即它不在其初始化列表的作用域中），但：

1. 若以复制捕获，则闭包对象的非静态数据成员是指代这个 auto 变量的另一种方式。
2. 若以引用捕获，则引用变量的生存期在闭包对象的生存期结束时结束。

这可用于以如 x = std::move(x)
这样的捕获符捕获仅可移动的类型。这也使得以  const
引用进行捕获称为可能，比如以  &cr = std::as_const(x)
或类似的方式。
然后可以多个捕捉项组合：

[=, &a, &b]
[&, a, b]
[i, x=x]
[i, &x=x]
[&r = x, x = x + 1]

但是多个捕捉项不能重复，任何捕获符只可以出现一次：

[a, a]  // 错误：a 重复
[=, a]  // 错误：a 重复
[&, &a]  // 错误：a 重复
[this, *this]  // 错误："this" 重复 (C++17)

所以当默认捕获符是 &
时，后继的简单捕获符必须不以  &
开始。当默认捕获符是  =
时，后继的简单捕获符必须以  &
开始，或者为  *this
(自C++17 起) 或  this
(自C++20 起)。例如：

[&, &i] {};     // 错误：以引用捕获为默认时的以引用捕获
[=, *this]{};   // C++17 前：错误：无效语法
// C++17 起：OK：以复制捕获外围的 S2
[=, this] {};   // C++20 前：错误：= 为默认时的 this
// C++20 起：OK：同 [=]

捕捉列表的不同，效果也会不同：

• 按值传递的捕捉项在lambda表达式被定义时就已经决定。
• 按引用传递的捕捉项在lambda表达式被调用时决定。
• 按值传递的捕捉变量不能被lambda表达式内修改，按引用传递的可以。
• 从代码生成角度看，如果是内建数据类型（int，short，long之类的）如果以引用传递方式会比以值传递方式多一条获取变量地址的指令。

Lambda表达式在功能上跟仿函数（functor，也称函数对象，function object）非常相似：可以保存外部变量的状态，可以传入参数，可以被调用。编译器在实现lambda表达式时也采用了与仿函数相似的方法。
每个lambda表达式都有自己特有的类型，也就是说不能仅仅因为捕捉列表、参数列表、返回值类型相同而把一个lambda表达式赋给另一个保存着lambda表达式的变量，却可以把一个保存了lambda表达式的变量赋给另一个变量：

auto f = [](int n)->int { return n;};
decltype(f) f2 = f; // 正确
decltype(f) f3 = [](int n)->int { return n;};  // 编译错误

但是lambda可以存储在 std::function
中，例如：

std::function f2 = [](int n) { return n; };

Lambda表达式在C++中最典型的应用场景是作为被回调体，比如STL诸多算法需要提供谓词（predicate），简短的lambda比函数指针和仿函数都要更适合承担这份工作：

• 有机会被内联优化，函数指针不行。
• 就地定义、就地使用，短小、分散的仿函数破坏程序整体结构。

但是lambda表达式并不能完全取代仿函数：

• 函数体较大时，使用仿函数更能理清程序结构。
• 捕捉变量范围有限，仅在父作用域范围，尽管有的编译器（GCC可以捕捉到全局变量等）自行扩展了范围，但并不合标准定义。

觉得本文不错的话，分享一下给小伙伴吧~