实例讲解C++编程中lambda表达式的使用

函数对象与Lambdas
你编写代码时，尤其是使用 STL 算法时，可能会使用函数指针和函数对象来解决问题和执行计算。函数指针和函数对象各有利弊。例如，函数指针具有最低的语法开销，但不保持范围内的状态，函数对象可保持状态，但需要类定义的语法开销。
lambda 结合了函数指针和函数对象的优点并避免其缺点。lambda 与函数对象相似的是灵活并且可以保持状态，但不同的是其简洁的语法不需要显式类定义。 使用lambda，相比等效的函数对象代码，您可以写出不太复杂并且不容易出错的代码。
下面的示例比较lambda和函数对象的使用。 第一个示例使用 lambda 向控制台打印 vector 对象中的每个元素是偶数还是奇数。第二个示例使用函数对象来完成相同任务。
示例 1：使用 lambda
此示例将一个 lambda 传递给 for_each 函数。该 lambda 打印一个结果，该结果指出 vector 对象中的每个元素是偶数还是奇数。
代码

// even_lambda.cpp
// compile with: cl /EHsc /nologo /W4 /MTd
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main()
{
 // Create a vector object that contains 10 elements.
 vector<int> v;
 for (int i = 1; i < 10; ++i) {
  v.push_back(i);
 }

 // Count the number of even numbers in the vector by
 // using the for_each function and a lambda.
 int evenCount = 0;
 for_each(v.begin(), v.end(), [&evenCount] (int n) {
  cout << n;
  if (n % 2 == 0) {
   cout << "is even" << endl;
   ++evenCount;
  } else {
   cout << "is odd" << endl;
  }
 });

 // Print the count of even numbers to the console.
 cout << "There are " << evenCount
  << " even numbers in the vector." << endl;
}

输出

1 is even

2 is odd

3 is even

4 is odd

5 is even

6 is odd

7 is even

8 is odd

9 is even

There are 4 even numbers in the vector.

批注
在此示例中，for_each 函数的第三个参数是一个lambda。 [&evenCount] 部分指定表达式的捕获子句，(int n) 指定参数列表，剩余部分指定表达式的主体。
示例 2：使用函数对象
有时 lambda 过于庞大，无法在上一示例的基础上大幅度扩展。下一示例使用函数对象（而非 lambda）以及 for_each 函数，以产生与示例 1 相同的结果。两个示例都在 vector 对象中存储偶数的个数。为保持运算的状态，FunctorClass 类通过引用存储 m_evenCount 变量作为成员变量。为执行该运算，FunctorClass 实现函数调用运算符 operator()。Visual C++ 编译器生成的代码与示例 1 中的 lambda 代码在大小和性能上相差无几。对于类似本文中示例的基本问题，较为简单的 lambda 设计可能优于函数对象设计。但是，如果你认为该功能在将来可能需要重大扩展，则使用函数对象设计，这样代码维护会更简单。
有关 operator() 的详细信息，请参阅函数调用 (C++)。

代码

// even_functor.cpp
// compile with: /EHsc
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

class FunctorClass
{
public:
 // The required constructor for this example.
 explicit FunctorClass(int& evenCount)
  : m_evenCount(evenCount) { }

 // The function-call operator prints whether the number is
 // even or odd. If the number is even, this method updates
 // the counter.
 void operator()(int n) const {
  cout << n;

  if (n % 2 == 0) {
   cout << " is even " << endl;
   ++m_evenCount;
  } else {
   cout << " is odd " << endl;
  }
 }

private:
 // Default assignment operator to silence warning C4512.
 FunctorClass& operator=(const FunctorClass&);

 int& m_evenCount; // the number of even variables in the vector.
};

int main()
{
 // Create a vector object that contains 10 elements.
 vector<int> v;
 for (int i = 1; i < 10; ++i) {
  v.push_back(i);
 }

 // Count the number of even numbers in the vector by
 // using the for_each function and a function object.
 int evenCount = 0;
 for_each(v.begin(), v.end(), FunctorClass(evenCount));

 // Print the count of even numbers to the console.
 cout << "There are " << evenCount
  << " even numbers in the vector." << endl;
}

输出

1 is even

2 is odd

3 is even

4 is odd

5 is even

6 is odd

7 is even

8 is odd

9 is even

There are 4 even numbers in the vector.

声明 Lambda 表达式
示例 1
由于 lambda 表达式已类型化，所以你可以将其指派给 auto 变量或 function 对象，如下所示：
代码

// declaring_lambda_expressions1.cpp
// compile with: /EHsc /W4
#include <functional>
#include <iostream>

int main()
{

 using namespace std;

 // Assign the lambda expression that adds two numbers to an auto variable.
 auto f1 = [](int x, int y) { return x + y; };

 cout << f1(2, 3) << endl;

 // Assign the same lambda expression to a function object.
 function<int(int, int)> f2 = [](int x, int y) { return x + y; };

 cout << f2(3, 4) << endl;
}

输出

5
7

备注
虽然 lambda 表达式多在函数的主体中声明，但是可以在初始化变量的任何地方声明。
示例 2
Visual C++ 编译器将在声明而非调用 lambda 表达式时，将表达式绑定到捕获的变量。以下示例显示一个通过值捕获局部变量 i 并通过引用捕获局部变量 j 的 lambda 表达式。由于 lambda 表达式通过值捕获 i，因此在程序后面部分中重新指派 i 不影响该表达式的结果。但是，由于 lambda 表达式通过引用捕获 j，因此重新指派 j 会影响该表达式的结果。
代码

// declaring_lambda_expressions2.cpp
// compile with: /EHsc /W4
#include <functional>
#include <iostream>

int main()
{
 using namespace std;

 int i = 3;
 int j = 5;

 // The following lambda expression captures i by value and
 // j by reference.
 function<int (void)> f = [i, &j] { return i + j; };

 // Change the values of i and j.
 i = 22;
 j = 44;

 // Call f and print its result.
 cout << f() << endl;
}

输出

47

调用 Lambda 表达式
你可以立即调用 lambda 表达式，如下面的代码片段所示。第二个代码片段演示如何将 lambda 作为参数传递给标准模板库 (STL) 算法，例如 find_if。
示例 1
以下示例声明的 lambda 表达式将返回两个整数的总和并使用参数 5 和 4 立即调用该表达式：
代码

// calling_lambda_expressions1.cpp
// compile with: /EHsc
#include <iostream>

int main()
{
 using namespace std;
 int n = [] (int x, int y) { return x + y; }(5, 4);
 cout << n << endl;
}

输出

代码如下:

9

示例 2
以下示例将 lambda 表达式作为参数传递给 find_if 函数。如果 lambda 表达式的参数是偶数，则返回 true。
代码

// calling_lambda_expressions2.cpp
// compile with: /EHsc /W4
#include <list>
#include <algorithm>
#include <iostream>

int main()
{
 using namespace std;

 // Create a list of integers with a few initial elements.
 list<int> numbers;
 numbers.push_back(13);
 numbers.push_back(17);
 numbers.push_back(42);
 numbers.push_back(46);
 numbers.push_back(99);

 // Use the find_if function and a lambda expression to find the
 // first even number in the list.
 const list<int>::const_iterator result =
  find_if(numbers.begin(), numbers.end(),[](int n) { return (n % 2) == 0; });

 // Print the result.
 if (result != numbers.end()) {
  cout << "The first even number in the list is " << *result << "." << endl;
 } else {
  cout << "The list contains no even numbers." << endl;
 }
}

输出

The first even number in the list is 42.

嵌套 Lambda 表达式
示例
你可以将 lambda 表达式嵌套在另一个中，如下例所示。内部 lambda 表达式将其参数与 2 相乘并返回结果。外部 lambda 表达式通过其参数调用内部 lambda 表达式并在结果上加 3。
代码

// nesting_lambda_expressions.cpp
// compile with: /EHsc /W4
#include <iostream>

int main()
{
 using namespace std;

 // The following lambda expression contains a nested lambda
 // expression.
 int timestwoplusthree = [](int x) { return [](int y) { return y * 2; }(x) + 3; }(5);

 // Print the result.
 cout << timestwoplusthree << endl;
}

输出

代码如下:

13

备注
在该示例中，[](int y) { return y * 2; } 是嵌套的 lambda 表达式。
高阶 Lambda 函数
示例
许多编程语言都支持高阶函数的概念。 高阶函数是采用另一个 lambda 表达式作为其参数或返回 lambda 表达式的 lambda 表达式。你可以使用 function 类，使得 C++ lambda 表达式具有类似高阶函数的行为。以下示例显示返回 function 对象的 lambda 表达式和采用 function 对象作为其参数的 lambda 表达式。
代码

// higher_order_lambda_expression.cpp
// compile with: /EHsc /W4
#include <iostream>
#include <functional>

int main()
{
 using namespace std;

 // The following code declares a lambda expression that returns
 // another lambda expression that adds two numbers.
 // The returned lambda expression captures parameter x by value.
 auto addtwointegers = [](int x) -> function<int(int)> {
  return [=](int y) { return x + y; };
 };

 // The following code declares a lambda expression that takes another
 // lambda expression as its argument.
 // The lambda expression applies the argument z to the function f
 // and multiplies by 2.
 auto higherorder = [](const function<int(int)>& f, int z) {
  return f(z) * 2;
 };

 // Call the lambda expression that is bound to higherorder.
 auto answer = higherorder(addtwointegers(7), 8);

 // Print the result, which is (7+8)*2.
 cout << answer << endl;
}

输出

代码如下:

30

在函数中使用 Lambda 表达式
示例
你可以在函数的主体中使用 lambda 表达式。lambda 表达式可以访问该封闭函数可访问的任何函数或数据成员。你可以显式或隐式捕获 this 指针，以提供对封闭类的函数和数据成员的访问路径。
你可以在函数中显式使用 this 指针，如下所示：

void ApplyScale(const vector<int>& v) const
{
 for_each(v.begin(), v.end(),
  [this](int n) { cout << n * _scale << endl; });
}

你也可以隐式捕获 this 指针：

void ApplyScale(const vector<int>& v) const
{
 for_each(v.begin(), v.end(),
  [=](int n) { cout << n * _scale << endl; });
}

以下示例显示封装小数位数值的 Scale 类。

// function_lambda_expression.cpp
// compile with: /EHsc /W4
#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

class Scale
{
public:
 // The constructor.
 explicit Scale(int scale) : _scale(scale) {}

 // Prints the product of each element in a vector object
 // and the scale value to the console.
 void ApplyScale(const vector<int>& v) const
 {
  for_each(v.begin(), v.end(), [=](int n) { cout << n * _scale << endl; });
 }

private:
 int _scale;
};

int main()
{
 vector<int> values;
 values.push_back(1);
 values.push_back(2);
 values.push_back(3);
 values.push_back(4);

 // Create a Scale object that scales elements by 3 and apply
 // it to the vector object. Does not modify the vector.
 Scale s(3);
 s.ApplyScale(values);
}

输出

3
6
9
12

备注
ApplyScale 函数使用 lambda 表达式打印小数位数值与 vector 对象中的每个元素的乘积。lambda 表达式隐式捕获 this 指针，以便访问 _scale 成员。

配合使用 Lambda 表达式和模板
示例
由于 lambda 表达式已类型化，因此你可以将其与 C++ 模板一起使用。下面的示例显示 negate_all 和 print_all 函数。 negate_all 函数将一元 operator- 应用于 vector 对象中的每个元素。 print_all 函数将 vector 对象中的每个元素打印到控制台。
代码

// template_lambda_expression.cpp
// compile with: /EHsc
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>

using namespace std;

// Negates each element in the vector object. Assumes signed data type.
template <typename T>
void negate_all(vector<T>& v)
{
 for_each(v.begin(), v.end(), [](T& n) { n = -n; });
}

// Prints to the console each element in the vector object.
template <typename T>
void print_all(const vector<T>& v)
{
 for_each(v.begin(), v.end(), [](const T& n) { cout << n << endl; });
}

int main()
{
 // Create a vector of signed integers with a few elements.
 vector<int> v;
 v.push_back(34);
 v.push_back(-43);
 v.push_back(56);

 print_all(v);
 negate_all(v);
 cout << "After negate_all():" << endl;
 print_all(v);
}

输出

34
-43
56
After negate_all():
-34
43
-56

处理异常
示例
lambda 表达式的主体遵循结构化异常处理 (SEH) 和 C++ 异常处理的原则。你可以在 lambda 表达式主体中处理引发的异常或将异常处理推迟至封闭范围。以下示例使用 for_each 函数和 lambda 表达式将一个 vector 对象的值填充到另一个中。它使用 try/catch 块处理对第一个矢量的无效访问。
代码

// eh_lambda_expression.cpp
// compile with: /EHsc /W4
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
 // Create a vector that contains 3 elements.
 vector<int> elements(3);

 // Create another vector that contains index values.
 vector<int> indices(3);
 indices[0] = 0;
 indices[1] = -1; // This is not a valid subscript. It will trigger an exception.
 indices[2] = 2;

 // Use the values from the vector of index values to
 // fill the elements vector. This example uses a
 // try/catch block to handle invalid access to the
 // elements vector.
 try
 {
  for_each(indices.begin(), indices.end(), [&](int index) {
   elements.at(index) = index;
  });
 }
 catch (const out_of_range& e)
 {
  cerr << "Caught '" << e.what() << "'." << endl;
 };
}

输出

Caught 'invalid vector<T> subscript'.

备注
有关异常处理的详细信息，请参阅 Visual C++ 中的异常处理。

配合使用 Lambda 表达式和托管类型 (C++/CLI)
示例
lambda 表达式的捕获子句不能包含具有托管类型的变量。但是，你可以将具有托管类型的实际参数传递到 lambda 表达式的形式参数列表。以下示例包含一个 lambda 表达式，它通过值捕获局部非托管变量 ch，并采用 System.String 对象作为其参数。
代码

// managed_lambda_expression.cpp
// compile with: /clr
using namespace System;

int main()
{
 char ch = '!'; // a local unmanaged variable

 // The following lambda expression captures local variables
 // by value and takes a managed String object as its parameter.
 [=](String ^s) {
  Console::WriteLine(s + Convert::ToChar(ch));
 }("Hello");
}

输出

Hello!