初探C++11之lambda表达式

lambda表达式是函数式编程的基础。咱对于函数式编程也没有足够的理解，因此这里不敢胡言乱语，有兴趣的可以自己查找相关资料看下。这里只是介绍C++11中的lambda表达式以及与此相关的闭包(closure)。

同样，这里首先给出参考文档

http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2009/n2927.pdf

其次，给出两个例子，可以看出lambda表达式的写法

[](int x, int y) { return x + y; }

[](int x, int y) -> int { int z = x + y; return z + x; }   //表明返回值类型是int型

也就是说，一个lambda表达式很类似于普通的函数定义的写法，区别在于三点，一是没有函数名（你也可以认为函数名是[]），二是这个函数没有普通函数那样的返回值类型，返回值类型的写法在第2行，即在参数列表与函数定义之间以箭头写明，三是在参数列表之前有一个[] (其实这里还可能有更多的形式，后面会说)

第三，lambda表达式的标准形式是什么？

如下。这里先只是列出，后面会详细解释。

lambda-expression:
　　lambda-introducer lambda-declarator_opt compound-statement
lambda-introducer:
　　[ lambda-capture_opt ]

lambda-capture:
　　capture-default
　　capture-list
　　capture-default , capture-list
capture-default:
　　&
　　=
capture-list:
　　capture
　　capture-list , capture
capture:
　　identifier
　　& identifier
　　this
lambda-declarator:
　　( parameter-declaration-clause ) attribute-specifier_opt mutable_opt exception-specification_opt trailing-return-type_opt

第四，进一步的分析

上面的标准形式中，最不好理解的可能就是lambda-capture了。其实它对应的就是闭包的概念，而作用是描述外部传入的参数。

wiki上有一个例子，如下

std::vector<int> someList;
int total = 0;
std::for_each(someList.begin(), someList.end(), [&total](int x) {
  total += x;
});
std::cout << total;

这段代码做的事情是把someList中的所有变量求和。其中定义的lambda函数如下，

[&total](int x) {total += x;}

与前面的例子不同，这里的lambda-introducer是[&total]而不是之前的[]。这么写的作用是，在这个lambda函数中以引用方式使用外部变量total，这样求和结果就可以存放于这个变量中。那么类似的，还可以以传值方式使用外部变量，写成[total]就可以，而且，如果需要用到的外部变量较多，可以有简略的写法。一个完整的列表如下（来自wiki，这里我把他们翻译成我们比较习惯的表述形式）

[] // 没有定义任何变量。使用未定义变量会导致错误。
[x, &y] // x 以传值方式传入(默认)，y 以引用方式传入。
[&] // 任何被使用到的外部变量皆隐式地以引用方式加以使用。
[=] // 任何被使用到的外部变量皆隐式地以传值方式加以使用。
[&, x] // x 显示地以传值方式加以使用。其余变量以引用方式加以使用。
[=, &z] // z 显示地以引用方式加以使用。其余变量以传值方式加以使用。

第五，代码练习及验证

接下来，我们自己写一些代码来做一些练习以及验证一些事情。以下代码在visual studio 2010下测试通过。

首先是模仿实例写一些代码。

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

void ShowVector(std::vector<int>& vecTest)
{
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [](int x) 
        {
            std::cout<<x<<' ';
        }
    );
    std::cout<<std::endl;
}

int main()
{
    std::vector<int> vecTest(10,1);
    
    ShowVector(vecTest);

    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [](int& x) 
        {
            x += 2;
        }
    );
    
    ShowVector(vecTest);

    int iTotal = 0;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [&iTotal](int x) 
        {
            iTotal += x;
        }
    );
    std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    iTotal = 0;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [&](int x) 
        {
            iTotal += x;
        }
    );
    std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    //iTotal = 0;
    //std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
    //    [=](int x) 
    //    {
    //        iTotal += x; // build error,error C3491: 'iTotal': a by-value capture cannot be modified in a non-mutable lambda
    //    }
    //);
    //std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    //iTotal = 0;
    //std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
    //    [iTotal](int x) 
    //    {
    //        iTotal += x; // build error, error C3491: 'iTotal': a by-value capture cannot be modified in a non-mutable lambda
    //    }
    //);
    //std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    iTotal = 0;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [=, &iTotal](int x) 
        {
            iTotal += x;
        }
    );
    std::cout << std::endl << iTotal << std::endl;

    int iAdd = 1;
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [=](int& x) 
        {
            x += iAdd;
        }
    );
    ShowVector(vecTest);

    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), 
        [iAdd](int& x) 
        {
            x += iAdd;
        }
    );
    ShowVector(vecTest);

    char e = 0;
    scanf_s("%c", &e, 1);
    return 0;
}

运行结果如下，

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

30

30

30
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

这里值得注意的是其中的注释掉的代码，这里我们以传值方式使用外部变量，但是在lambda函数内部却试图修改该变量的值，其实这是没什么作用的，而visual studio直接给出报错，检查很仔细，不错。

那么我们再考虑一个问题，lambda表达式的运行效率？我们来试一下。测试机器双核4G内存。

#include "windows.h"
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>

void ModVal(int& iVal)
{
    iVal *= 3;
}

#define ARRAY_SIZE 10000000
int main()
{
    int m = 0;
    std::vector<int> vecTest(ARRAY_SIZE,0);
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(),
        [&m](int& x)
        {
            x = m++;
        }
    );

    // test1
    //std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(),
    //    [](int& x)
    //    {
    //        x *= 3;
    //    }
    //);
    // test2
    //for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
    //{
    //    vecTest[i] *= 3;
    //}
    // test3
    std::for_each(vecTest.begin(), vecTest.end(), ModVal);


    char e = 0;
    scanf_s("%c", &e, 1);
    return 0;
}

分别对以上的test1, test2和test3使用QueryPerformanceFrequency()函数计时，我们可以得到如下的结果，

test1: 26.8ms

test2: 27.6ms

test3: 24.2ms

也就是说，最快的是test3，即不采用lambda表达式，而是直接用函数……多少有点出乎意料。而最慢的是直接用for循环的操作，不过它和用lambda表达式的结果很接近。

第六，其他

成员函数内部的lambda函数，lambda函数作为对象。留着后面写。