VC10和C++ 0x (1) – lambda表达式

【本文大部分内容译自Visual C++ Team Blog】http://blogs.msdn.com/vcblog/archive/2008/10/28/lambdas-auto-and-static-assert-c-0x-features-in-vc10-part-1.aspx

尽管C++社区对C++ 0x很是追捧，但是各厂商对于新标准的支持并不热乎。盼星星盼月亮，微软作为Windows平台上最强势的C++编译器厂商也终于在Visual Studio 2010中开始支持C++ 0x的特性。

Lambda表达式，auto 和静态断言（static_assert）

Visual Studio 2010中的Visual C++编译器，即VC10, 包含了4个C++ 0x的语言特性 – lambda表达式，auto，static_assert 和 rvalue reference (右值引用).

相关链接：

• C++0x language feature status: http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2705.html
• C++0x library feature status: http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2706.html
• C++0x Working Draft: http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2798.pdf

lambdas

使用过函数式编程语言(如lisp, F#)或一些动态语言(如Python，Javascript)的大侠对于lambda表达式一定不会陌生。

在C++ 0x中，引入了lambda表达式来定义无名仿函数。下面是一个lambda表达式的简单例子：

// File: meow.cpp
#include <algorithm>#include <iostream>#include <ostream>#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
    cout << endl;    
    return 0;
}

C:Temp>cl /EHsc /nologo /W4 meow.cpp > NUL && meow

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

for_each一行中，中括号[]称为lambda introducer, 它告诉编译器接下来的是一个lambda表达式；接下来(int n)是lambda表达式的参数声明；最后大括号里边就是“函数体”了。

注意这里因为lambda表达式生成的是functor，所以“函数体”实际上是指这个functor的operator （）的调用部分。你也许会问：那么返回值呢？缺省情况下lambda表达式生成的functor调用

返回类型为void.

所以，可以理解为上边的代码会被编译器翻译成如下：

#include <algorithm>#include <iostream>#include <ostream>#include <vector>
using namespace std;

struct LambdaFunctor {
    void operator()(int n) const {
        cout << n << " ";
    }
};

int main() {
    vector<int> v;

    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    for_each(v.begin(), v.end(), LambdaFunctor());
    cout << endl;
    return 0;
}

为了方便，以下会用"lambda返回void"的简短表述来代替冗长啰嗦的表述：lambda表达式生成一个functor类型，这个functor类型的函数调用操作符（operator()）返回的类型是void.
请大家一定记住：lambda表达式生成了类型，并构造该类型的实例。

下面的例子中lambda表达式的“函数体”包含多条语句：

#include <algorithm>#include <iostream>#include <ostream>#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) {
        cout << n;

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

    cout << endl;
    return 0;
}

上文提到了lambda表达式缺省情况下返回void. 那么如果需要返回其他类型呢？
答案是：lambda表达式的“函数体”中如果有一个return的表达式，例如{ return expression; },那么编译器将自动推演expression的类型作为返回类型。

#include <algorithm> #include <deque> #include <iostream> #include <iterator> #include <ostream> #include <vector> 
using namespace std; 

int main() { 
    vector<int> v; 

    for (int i = 0; i < 10; ++i) { 
        v.push_back(i); 
    } 

    deque<int> d; 

    transform(v.begin(), v.end(), front_inserter(d), [](int n) { return n * n * n; }); 

    for_each(d.begin(), d.end(), [](int n) { cout << n << ” “; }); 

    cout << endl; 
} 

上例中返回值n * n * n很简单，类型推演是显而易见的。但是如果lambda表达式中有非常复杂的表达式时，编译器可以无法推演出其类型，或者是推演出现二义性，这时候你可以

显式地指明返回值类型。如下所示：

transform(v.begin(), v.end(), front_inserter(d), [](int n) -> double {
    if (n % 2 == 0) {
        return n * n * n;
    } else {
        return n / 2.0;
    }
});

黑体部分中有的“-> double”显式地指明了lambda表达式的返回类型是double.

以上例子中的lambda都是无状态的(stateless)，不包含任何数据成员。很多时候我们需要lambda包含数据成员以保存状态，这一点可以通过“捕获”(capturing)局部变量来实现。

lambda表达式的导入符(lambda-introducer)是空的，也就是“[]”，表明该lambda是一个无状态的。但是在lambda导入符中可以指定一个“捕获列表”(capture-list)。

int main() {
    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    int x = 0;
    int y = 0;

    cout << "Input: ";
    cin >> x >> y;
    v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), [x, y](int n) { return x < n && n < y; }), v.end());
    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
    cout << endl;
}

上边的代码中的lambda使用了局部变量x和y，将值介于x和y之间的元素从集合中删除。

程序运行示例如下 –

Input: 4 7

0 1 2 3 4 7 8 9

上边的代码可以理解为：

class LambdaFunctor {

public:
    LambdaFunctor(int a, int b) : m_a(a), m_b(b) { }
    bool operator()(int n) const { return m_a < n && n < m_b; }

private:
    int m_a;
    int m_b;
};

int main() {

    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    int x = 0;
    int y = 0;

    cout << "Input: ";
    cin >> x >> y;

    v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), LambdaFunctor(x, y)), v.end());
    copy(v.begin(), v.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
    cout << endl;
}

上面代码中很重要的一点信息是：lambda中捕获的局部变量是以“传值”的方式传给匿名函数对象的。在匿名函数对象中，保存有“捕获列表”中局部变量的拷贝。

这一点使得匿名函数对象的生命周期能够长于main中的x，y局部变量。然而这样的传值方式带来几个限制：

1. lambda中的这两个拷贝并不能被改变，因为缺省情况下函数对象的operator（）是const;
2. 有的对象的拷贝操作开销很大或者不可能（例如如果上面代码中的x, y是数据库链接或者某个singleton）
3. 即使在lambda内部修改了m_a, m_b也不能够影响外边main函数中的x和y

既然有了“传值”，你一定猜到了还会有“传引用”。bingo! 你是对的。

在讨论“传引用”之前，我们先来看看另一个比较有用的东西。假设你有一大堆的局部变量需要被lambda使用，那么你的“捕获列表”将会写的很长，这肯定不是件愉快的事情。

好在C++委员会的老头们也想到了，C++ 0x中提供了一个省心的东西：如果捕获列表写成 [=]，表示lambda将捕获所有的局部变量，当然也是传值方式。这种方式姑且被称为“缺省捕获”(capture-default)。

int main() {

    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    int x = 0;
    int y = 0;

    cout << "Input: ";
    cin >> x >> y; // EVIL!
    v.erase(remove_if(v.begin(), v.end(), [=](int n) { return x < n && n < y; }), v.end());
    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
    cout << endl;
}

当编译器在lambda的作用范围内看到局部变量x, y时，它会以传值的方式从main函数中将他们捕获。

下面我们来看如何突破前面提到的3点限制。

第一点，修改lambda表达式中的局部变量拷贝(e.g. m_a, m_b)

缺省情况下，lambda的operator ()是const 修饰的，但是你可以使用mutable关键字改变这一点。

int main() {

    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    int x = 1;
    int y = 1;

    for_each(v.begin(), v.end(), [=](int& r) mutable {
        const int old = r;
        r *= x * y;
        x = y;
        y = old;
    });

    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
    cout << endl;
    cout << x << ", " << y << endl;
}

代码运行结果如下

0 0 0 6 24 60 120 210 336 504

1, 1

这里我们解决了第一个限制，但是却产生了一个新的限制

4.  lambda中对捕获变量的修改并不会影响到main函数中的局部变量，因为lambda捕获局部变量使用的是传值方式

下面该“传引用”的方式登场了，它能够有效地解决2，3，4三个限制。

传引用的语法为： lambda-introducer [&x, &y]

这里的捕获列表应该理解为：X& x, Y& y ; 因为我们实际上是取的x,y的引用而不是地址。

int main() {

    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    int x = 1;
    int y = 1;

    for_each(v.begin(), v.end(), [&x, &y](int& r) {
        const int old = r;
        r *= x * y;
        x = y;
        y = old;
    });

    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
    cout << endl;
    cout << x << ", " << y << endl;
}

运行结果如下 –

0 0 0 6 24 60 120 210 336 504

8, 9

上面代码会被编译器“翻译”成：

#pragma warning(push)
#pragma warning(disable: 4512) // assignment operator could not be generated
class LambdaFunctor {

public:
    LambdaFunctor(int& a, int& b) : m_a(a), m_b(b) { }

    void operator()(int& r) const {
        const int old = r;
        r *= m_a * m_b;
        m_a = m_b;
        m_b = old;
    }

private:
    int& m_a;
    int& m_b;
};
#pragma warning(pop)

int main() {
    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    int x = 1;
    int y = 1;

    for_each(v.begin(), v.end(), LambdaFunctor(x, y));
    copy(v.begin(), v.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
    cout << endl;
    cout << x << ", " << y << endl;
}

注意：当你使用lambda时，VC10编译器会为lambda的定义部分自动禁用C4512警告。

当以传引用方式捕获局部变量时，lambda的函数对象在自己内部以引用方式保存main函数中的局部变量。

当然因为使用的是局部对象的引用，使用lambda表达式时一定要注意不能够超出局部变量的生命周期。

和上文提高的[=]类似，我们可以用[&]来以“传引用”的方式捕获所有的局部变量。

到目前为止，局部变量的捕获方式要么是“值语义”要么是“引用语义”，那么可以混合这两种方式吗？可以！

例如：[a, b, c, &d, e, &f, g]，其中变量d和f是按引用语义捕获，而a,b,c,e和g是按值语义捕获。

另外很有用的一点是：你可以指定一个缺省捕获(capture-default)，然后重载（override）某些局部变量的捕获方式。

下边例子中[=, &sum, &product]告诉编译器用值语义方式捕获所有的局部变量，但是有两个例外 – sum和product是按引用语义来捕获。

int main() {

    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    int sum = 0;
    int product = 1;
    int x = 1;
    int y = 1;

    for_each(v.begin(), v.end(), [=, &sum, &product](int& r) mutable {
        sum += r;

        if (r != 0) {
            product *= r;
        }

        const int old = r;
        r *= x * y;
        x = y;
        y = old;
    });
    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
    cout << endl;
    cout << "sum: " << sum << ", product: " << product << endl;
    cout << "x: " << x << ", y: " << y << endl;
}

运行结果如下 –

0 0 0 6 24 60 120 210 336 504

sum: 45, product: 362880

x: 1, y: 1

再来看看下边的代码 – 在lambda中使用类成员变量

class Kitty {

public:
    explicit Kitty(int toys) : m_toys(toys) { }
    void meow(const vector<int>& v) const {
        for_each(v.begin(), v.end(), [m_toys](int n) {
            cout << "If you gave me " << n << " toys, I would have " << n + m_toys << " toys total." << endl;
        });
    }

private:
    int m_toys;
};

int main() {

    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    Kitty k(5);
    k.meow(v);
}

不幸的是，编译这段代码将产生这样的错误：

 error C3480: ‘Kitty::m_toys’: a lambda capture variable must be from an enclosing function scope

为什么呢？lambda表达式能够让你不活局部变量，但是类的数据成员并不是局部变量。

解决方案呢？别着急。lambda为捕获类的数据成员大开方便之门，你可以捕获this指针。

class Kitty {

public:
    explicit Kitty(int toys) : m_toys(toys) { }
    void meow(const vector<int>& v) const {
        for_each(v.begin(), v.end(), [this](int n) {
            cout << "If you gave me " << n << " toys, I would have " << n + m_toys << " toys total." << endl;
        });
    }

private:
    int m_toys;
};

int main() {
    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    Kitty k(5);
    k.meow(v);
}

运行结果 –

If you gave me 0 toys, I would have 5 toys total.

If you gave me 1 toys, I would have 6 toys total.

If you gave me 2 toys, I would have 7 toys total.

当lambda表达式捕获“this”时，编译器看到m_toys后会在this所指向对象的范围内进行名字查找，m_toys被隐式地推演为this->m_toys。当然你也可以让编译器省省力气。显式地在

捕获列表中使用 this->m_toys。

lambda比较智能，你也可以隐式地捕获this指针。如下所示：

class Kitty {

public:
    explicit Kitty(int toys) : m_toys(toys) { }
    void meow(const vector<int>& v) const {
        for_each(v.begin(), v.end(), [=](int n) {
            cout << "If you gave me " << n << " toys, I would have " << n + m_toys << " toys total." << endl;
        });
    }

private:
    int m_toys;
};

int main() {
    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    Kitty k(5);
    k.meow(v);
}

运行结果：

If you gave me 0 toys, I would have 5 toys total.

If you gave me 1 toys, I would have 6 toys total.

If you gave me 2 toys, I would have 7 toys total.

注意你也可以在上面代码中用 [&]，但是结果是一样的 – this指针永远是按值语义被传递(捕获)的。你也不能够使用 [&this]，呵呵。

如果你的lambda表达式是没有参数的，那么lambda表达式的导入符后边的括号()也可以省掉。例如：

int main() {
    vector<int> v;
    int i = 0;
    generate_n(back_inserter(v), 10, [&] { return i++; });
    for_each(v.begin(), v.end(), [](int n) { cout << n << " "; });
    cout << endl;
    cout << "i: " << i << endl;
}

运行结果如下：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

i: 10

上边是 [&]() { return i++; }的简写形式。个人认为省掉括号并不是什么好的coding style。

下面是纯粹搞笑的写法：

int main() {
    [](){}();
    []{}();
}

注意lambda的语法为：

( lambda-parameter-declaration-listopt ) mutableopt exception-specificationopt lambda-return-type-clauseopt 

所以如果你需要用到mutable或者指定lambda的返回类型，空的括号就不能够省略了。

最后尽然lambda表达式生成是普通的函数对象，所以函数对象支持的用法lambda都支持。例如和tr1的function一起使用，

看看下边的代码，是不是很酷？

using namespace std;
using namespace std::tr1;

void meow(const vector<int>& v, const function<void (int)>& f) {
    for_each(v.begin(), v.end(), f);
    cout << endl;
}

int main() {
    vector<int> v;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        v.push_back(i);
    }

    meow(v, [](int n) { cout << n << " "; });
    meow(v, [](int n) { cout << n * n << " "; });

    function<void (int)> g = [](int n) { cout << n * n * n << " "; };
    meow(v, g);
}

运行结果：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1 4 9 16 25 36 49 64 81

0 1 8 27 64 125 216 343 512 729

【THE END】