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VC10和C++ 0x (1) - lambda表达式

2009-09-05 02:02 302 查看

【本文大部分内容译自VisualC++TeamBlog】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VisualStudio2010中开始支持C++0x的特性。

Lambda表达式，auto和静态断言（static_assert）

VisualStudio2010中的VisualC++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rvaluereference(右值引用).

相关链接：

C++0xlanguagefeaturestatus:http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2705.html
C++0xlibraryfeaturestatus:http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2008/n2706.html
C++0xWorkingDraft: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>

usingnamespacestd;

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

for_each(v.begin(),v.end(),[](intn){cout<<n<<"";});
cout<<endl;
return0;
}

C:\Temp>cl/EHsc/nologo/W4meow.cpp>NUL&&meow

0123456789

for_each一行中，中括号[]称为lambdaintroducer,它告诉编译器接下来的是一个lambda表达式；接下来(intn)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>

usingnamespacestd;

structLambdaFunctor{
voidoperator()(intn)const{
cout<<n<<"";
}
};

intmain(){
vector<int>v;

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

for_each(v.begin(),v.end(),LambdaFunctor());
cout<<endl;
return0;
}

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>

usingnamespacestd;

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

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

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

cout<<endl;
return0;
}

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{returnexpression;},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>

usingnamespacestd;

intmain(){
vector<int>v;

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

deque<int>d;

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

for_each(d.begin(),d.end(),[](intn){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),[](intn)->double{
if(n%2==0){
returnn*n*n;
}else{
returnn/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)。

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

intx=0;
inty=0;

cout<<"Input:";
cin>>x>>y;
v.erase(remove_if(v.begin(),v.end(),[x,y](intn){returnx<n&&n<y;}),v.end());
for_each(v.begin(),v.end(),[](intn){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:47

01234789

上边的代码可以理解为：

classLambdaFunctor{

public:
LambdaFunctor(inta,intb):m_a(a),m_b(b){}
booloperator()(intn)const{returnm_a<n&&n<m_b;}

private:
intm_a;
intm_b;
};

intmain(){

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

intx=0;
inty=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：

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;

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）

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)。

intmain(){

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

intx=0;
inty=0;

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

intmain(){

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

intx=1;
inty=1;

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

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

代码运行结果如下

00062460120210336504

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。

intmain(){

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

intx=1;
inty=1;

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

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

运行结果如下-

00062460120210336504

8,9

上面代码会被编译器“翻译”成：

#pragmawarning(push)
#pragmawarning(disable:4512)//assignmentoperatorcouldnotbegenerated

classLambdaFunctor{

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

voidoperator()(int&r)const{
constintold=r;
r*=m_a*m_b;
m_a=m_b;
m_b=old;
}

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

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

intx=1;
inty=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。

intmain(){

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

intsum=0;
intproduct=1;
intx=1;
inty=1;

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

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

constintold=r;
r*=x*y;
x=y;
y=old;
});

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

运行结果如下-

00062460120210336504

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

classKitty{

public:
explicitKitty(inttoys):m_toys(toys){}
voidmeow(constvector<int>&v)const{
for_each(v.begin(),v.end(),[m_toys](intn){
cout<<"Ifyougaveme"<<n<<"toys,Iwouldhave"<<n+m_toys<<"toystotal."<<endl;
});
}

private:
intm_toys;
};

intmain(){

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

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

不幸的是，编译这段代码将产生这样的错误：

errorC3480:'Kitty::m_toys':alambdacapturevariablemustbefromanenclosingfunctionscope

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。

classKitty{

public:
explicitKitty(inttoys):m_toys(toys){}
voidmeow(constvector<int>&v)const{
for_each(v.begin(),v.end(),[this](intn){
cout<<"Ifyougaveme"<<n<<"toys,Iwouldhave"<<n+m_toys<<"toystotal."<<endl;
});
}

private:
intm_toys;
};

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

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

运行结果-

Ifyougaveme0toys,Iwouldhave5toystotal.

Ifyougaveme1toys,Iwouldhave6toystotal.

Ifyougaveme2toys,Iwouldhave7toystotal.

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：

classKitty{

public:
explicitKitty(inttoys):m_toys(toys){}
voidmeow(constvector<int>&v)const{
for_each(v.begin(),v.end(),[=](intn){
cout<<"Ifyougaveme"<<n<<"toys,Iwouldhave"<<n+m_toys<<"toystotal."<<endl;
});
}

private:
intm_toys;
};

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

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

运行结果：

Ifyougaveme0toys,Iwouldhave5toystotal.

Ifyougaveme1toys,Iwouldhave6toystotal.

Ifyougaveme2toys,Iwouldhave7toystotal.

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：

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

运行结果如下：
0123456789

i:10

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

下面是纯粹搞笑的写法：

intmain(){
[](){}();
[]{}();
}

注意lambda的语法为：

(lambda-parameter-declaration-listopt)mutableoptexception-specificationoptlambda-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？

usingnamespacestd;
usingnamespacestd::tr1;

voidmeow(constvector<int>&v,constfunction<void(int)>&f){
for_each(v.begin(),v.end(),f);
cout<<endl;
}

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

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

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

运行结果：

0123456789

0149162536496481

0182764125216343512729

【THEEND】

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