Lambda表达式

一个程序员的修炼之路 2021-10-04

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各位国庆节快乐，祝祖国繁荣昌盛！

常见的语言中都提供Lambda语法糖，比如C#, Python, Golang等。本文将探讨下C++ 11引入的Lambda语法糖。语法糖
是一种让程序员使用更加便利的一种语法，并不会带来额外的功能，比如Lambda
，没有这种语法糖，其可以用已有的语法等价的实现出相应的功能。
有编程实践经验的同学一定能够快速的理解Lamdba
产生的意义，而缺乏编程经验的同学，跟着我一起来梳理下Lamdba
给我们带来了哪些便利性？

函数指针和对象函数

因为笔者用Lambda
最多的场景是回调函数，先说说回调函数。在编程中回调函数
是一个常见的设计方式，下图是一个常见的同步调用的回调函数:

调用方
访问被调用方
的实现函数InvokeFunction
被调用方
访问调用方
的回调函数CallbackFunction

上述是一个同步调用的回调方式，是实践中，也有可能是一个异步的回调方式。
一般回调的使用场景可以是被调用方
使用调用方
指定的方法去实现内部的一个逻辑。常见的比如:

被调用模块
使用调用模块
指定的方法完成其功能，比如常见的std::sort
比如SDK没有写DebugLog的功能，而是通过回调函数的方式，让调用方实现写DebugLog功能。
通知机制：在一些场景下，被调用方
通过回调函数去通知调用模块
，去进行相应操作。
…

回调的场景应该不止上述描述的这些，这一章节的重点让我们回归到回调函数
和函数对象
（仿函数
）。

回调函数最常见的C和C++中都使用的函数指针
，我们以std::sort
为例。一个vector
容器中存储了若干的Student
信息，想要将这些学生信息根据年龄进行升序排序，于是可以调用std::sort
，并且使用自定义的函数StudentSortFunction
给sort
作为回调函数来完成排序。

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>


struct Student
{
  std::string  m_strName;
  unsigned int m_uAge;
};


void PrintStudentVector(const std::vector<Student>& vecStudents)
{
  for (auto&& student : vecStudents)
  {
    std::cout << student.m_strName.c_str() << ":" << student.m_uAge << std::endl;
  }
  std::cout << std::endl;
}


bool StudentSortFunction(const Student& student1, const Student& student2)
{
  return student1.m_uAge < student2.m_uAge;
}


int main()
{
  std::vector<Student> vecStudents= {
    {"xiaoqiang", 15}, 
    {"xiaoming", 13},
    {"xiaoke", 13}
  };


  PrintStudentVector(vecStudents);


  std::sort(vecStudents.begin(), vecStudents.end(), StudentSortFunction);


  //Print after sort
  PrintStudentVector(vecStudents);
  return 0;
}

C++中有了函数对象概念，我们同样以上述的例子，实现了一个函数对象StudentSort
，其包含一个重载的函数接口bool operator() (const Student& student1, const Student& student2)
，同样可以实现同样的功能。

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>


struct Student
{
  std::string  m_strName;
  unsigned int m_uAge;
};


void PrintStudentVector(const std::vector<Student>& vecStudents)
{
  for (auto&& student : vecStudents)
  {
    std::cout << student.m_strName.c_str() << ":" << student.m_uAge << std::endl;
  }
  std::cout << std::endl;
}


class StudentSort
{
public:
  bool operator() (const Student& student1, const Student& student2)
{
    return student1.m_uAge < student2.m_uAge;
  }
};


int main()
{
  std::vector<Student> vecStudents= {
    {"xiaoqiang", 15}, 
    {"xiaoming", 13},
    {"xiaoke", 13}
  };


  PrintStudentVector(vecStudents);


  std::sort(vecStudents.begin(), vecStudents.end(), StudentSort());


  //Print after sort
  PrintStudentVector(vecStudents);
  return 0;
}

当然上述的例子函数指针
和函数对象
似乎没有太多区别。我们注意看回调的方法的入参是由被调用方
给定的并且传入的。但是在一些场景，我们是需要在回调方法
中同样传入被调用方的一些信息。这个时候的回调方法一般的形式是, 会传入一个pCtx
，其存储调用方
所需要传递给回调函数的一些信息。

void CallbackFunction(Contex* pCtx, Parameter par1, Parameter par2.....)

在这种情况下函数指针
和函数对象
就有了区别了，函数指针
是没有成员的，而函数对象
是可有成员函数的，这个时候在C++中，回调的方法一般采用函数对象来实现上述的方式, 比如定义了一个回调函数对象CallbackContext callbackContext
设置给被调用方
，被调用方
使用callbackContext(par1, par2)
即完成了回调方法的调用。

class CallbackContex
{
public:
  bool operator() (Parameter par1, Parameter par2) { ; };
private:
  Contex* m_pCtx;
};

那么也就是说，每次我们设置给被调用
放都需要定义一个class
，将调用方需要设置给被调用方
的变量给打包到一个叫做Contex
中，这个时候手写一个函数对象，感觉比较繁琐。注意只是繁琐，而不是无法实现。
这个时候使用Lambda
来实现就显的十分的方便快捷了，因为其有一个很棒的功能，叫做捕获变量
。接下来让我们一起来看看本文的主角lambda
吧。

Lambda

Lambda
的表达式如上图所示，其主要构成部分就比普通的函数多了一个捕获列表
，主要由5个部分构成。

捕获列表，其可以捕获当前上下文的变量，可以是值捕获或者引用捕获
函数参数，不用赘述，和普通函数一样
specifiers，可选的，主要说明下mutable
, 默认情况下值捕获，将无法修改其值(可以想象为其成员函数后面跟了个const
)，除非设置为mutable
.
返回值，如果不写表示返回void
函数体，这部分可以使用你捕获列表里面的变量，也可以使用参数列表里面的变量。

看到这里是不是来演练下第一章节的例子，使用Lambda
如何更简洁的写出一个排序的回调, 是不是比较简单。

std::sort(vecStudents.begin(), vecStudents.end(), [](const Student& student1, const Student& student2) -> bool {
    return student1.m_uAge < student2.m_uAge;
  });

Lambda
的表达式的结果（注意不是返回值）是一个匿名函数对象，我们一般可以使用 auto
来获取其表达式结果，同样也可以使用。std::function<T>
。
下面我们来举个例子让我们来更加好的理解Lambda
, 尤其是值捕获
和引用捕获
。

#include <iostream>


int main()
{
  unsigned int uYear = 2020;
  unsigned int uMonth = 9;


  std::cout << "uYear: " << uYear
    << " Month: " << uMonth << std::endl << std::endl;


  auto lambda = [&uYear, uMonth]() -> bool {
    uYear = 2021;
    std::cout << "uYear: " << uYear
      << " Month: " << uMonth << std::endl << std::endl;


    //error C3491: 'uMonth': a by copy capture cannot be modified in a non-mutable lambda
    //uMonth = 10;


    return true;
  };
  
  lambda();


  std::cout << "uYear: " << uYear
    << " Month: " << uMonth << std::endl << std::endl;
  return 0;
}

这个例子我们可以看到在Lambda
中使用引用捕获
了uYear
, 值捕获
了uMonth
。那么在Lambda
函数体内:

uYear
是main
函数中的uYear
的引用，对uYear
的重新复制为2021
也会影响到main
中uYear
uMonth
只是main
函数中的uMonth
的值传递，默认情况下不能够直接进行改写，除非将Lambda
指定为mutable
。如果其为mutable
, 在函数体内的修改并不会影响main
中uMonth
的改变。

其实上述的Lamdba
表达式可以用下面的类来表达其含义，这样的表达易于读者去理解Lambda
在编译器中的实现，也能够更好的掌握Lambda
。

class LambdaClass_XXXXX
{
public:
  LambdaClass_XXXXX(unsigned int& uYear, unsigned int uMonth) :m_uYear(uYear), m_uMonth(uMonth) {}
  bool operator()() const
{
    m_uYear = 2021;
    std::cout << "uYear: " << m_uYear
      << " Month: " << m_uMonth << std::endl << std::endl;


    return true;
  }
private:
  unsigned int& m_uYear;
  unsigned int  m_uMonth;
};

LambdaClass_XXXXX
的命名方式是避免的名字冲突。实际可以查看编译器MSVC命名的方式如下图所示：

如果有很多的参数需要捕获，Lambda
也提供了一些简便的方式:

[&, uMonth]
表示uMonth
采用值捕获
，其他可见的变量均采用`引用捕获
[=, &uYear]
表示uYear
采用引用捕获
，其他可见的变量均采用值捕获

那么如果捕获列表的变量名字和函数参数名字相同呢? ，我试了几个不同的编译器，结果不相同，有的报错，有的优先选择函数参数，有的优先选择捕获列表。总之使用者尽量避开名字相同的问题。关于这个在Stackoverflow
上也有所讨论: <<Lambda capture and parameter with same name - who shadows the other? (clang vs gcc)>>, 个人的角度来说更希望是编译阶段直接报错。

通过这一章节的内容，你是否能够举一反三了呢？出一道题目给读者做一做吧。

给读者的问题

为了更好的让读者理解Lambda
的实现，请问以下的程序结果输出是什么呢？先想一个答案，然后不确定的同学用编译器跑了试一试吧。如果答案错误，欢迎和笔者一起讨论哦。

#include <iostream>


int main()
{
  int iVal = 100;
  auto lambda = [iVal]() mutable {
    iVal += 100;
    std::cout << iVal << std::endl;
  };
  lambda();
  lambda();
  return 0;
}

总结

Lambda
是一种让C++
对象函数编写更加便利的语法糖，在使用Lambda
的时候一定要理解其实现原理，尤其是捕获列表
的值捕获
和引用捕获
，以及要注意其生命周期，以防非法的内存访问导致程序出错。另一点就是文中提到的一个注意点，尽量避免捕获列表的变量名称和函数参数的变量名称相同的情况，因为当前的不同编译器的实现不同，否则掉进坑里了哦。

数据库

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