C++拾遗--lambda表达式原理

前言

lambda表达式是在C++11新标准中提出的。在lambda表达式中，我们集中梳理了一下它的使用。现在来讨论下它的实现原理。

正文

1.函数对象

类的对象跟括号结合，表现出函数一般的行为，这个对象可以称作是函数对象。

#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass
{
public:
	//重载函数调用运算符()
	int operator()(int i)
	{
		return i;
	}
};
int main()
{
	MyClass my;
	//my()的调用行为似同函数
	int i = my(1);     //本质是调用 my.operator()(1)
	cout << "i = " << i << endl;
	cin.get();
	return 0;
}

运行

这个示例说明函数对象的本质是重载了函数调用运算符。当一个类重载了函数调用运算符()后，它的对象就成了函数对象。这是理解lambda表达式内部实现的基础。

2.lambda表达式原理

原理：编译器会把一个lambda表达式生成一个匿名类的匿名对象，并在类中重载函数调用运算符。

我们从最简单的lambda表达式入手，从易到难

2.1 无捕获列表和参数列表

auto print = []{cout << "zhangxiang" << endl; };

编译器会把这一句翻译成如下情形：

//用给定的lambda表达式生成相应的类
class print_class
{
public:
	void operator()(void) const
	{
		cout << "zhangxiang" << endl;
	}
};
//用构造的类创建对象，print此时就是一个函数对象
auto print = print_class();

生成类的类名命名规则可以多变，不一定非得这样。

2.2 无捕获列表但有参数列表

auto add = [](int a, int b){return a + b; };

编译器会把这一句翻译成如下情形：

class add_class
{
public:
	auto operator()(int a, int b) const
	{
		return a + b;
	}
};
auto add = add_class();

2.3 有捕获列表，参数列表可选

由于捕获方式分为两种：引用捕获、值捕获，故此种情况下，又可细分。

2.3.1 值捕获

int year = 19900212;
char *name = "zhangxiang";
//采用值捕获，捕获所有的已定义的局部变量，如year，name
auto print = [=](){
	cout << year << ends << name << endl;
};

翻译

int year = 19900212;
char *name = "zhangxiang";
class print_class
{
public:
	//根据捕获列表来决定构造函数的参数列表形式
	print_class(int year, char *name) :year(year), name(name)
	{

	}
	void operator()(void) const
	{
		cout << year << ends << name << endl;
	}
private:
	int year;
	char *name;
};
auto print = print_class(a, str);

运行效果是一样的，就不演示了。

2.3.2 引用捕获

int year = 19900212;
char *name = "zhangxiang";
auto print = [&](){
	year++;
	cout << year << ends << name << endl;
};

翻译

int year = 19900212;
char *name = "zhangxiang";
class print_class
{
public:
	//由于是引用捕获，参数列表采用引用的方式
	print_class(int &year, char *&name) :year(year), name(name)
	{

	}
	void operator()(void) const
	{	
		year++;   //编译通过，const对引用类型无效
		cout << year << ends << name << endl;
	}
private:
	int &year;
	char *&name;
};

经过测试，效果也是一样的。

2.3.3 混合捕获

int year = 19900212;
int shoes = 42;
char *name = "zhangxiang";
auto show = [&, shoes]()mutable{
	shoes++;
	year++;
	cout << year << ends << shoes << ends << name << endl;
};

翻译

int year = 19900212;
int shoes = 42;
char *name = "zhangxiang";
class show_class
{
private:
	int &year;
	mutable int shoes;
	char *&name;
public:
	show_class(int &year, int shoes, char *&name) :year(year), shoes(shoes), name(name)
	{

	}
	void operator()(void)const
	{
		shoes++;
		year++;
		cout << year << ends << shoes << ends << name << endl;
	}
};
auto show = show_class(year, shoes, name);
show();

默认情况下，经过值捕获的变量是不可以被修改的，除非在参数列表后加关键字mutable。以上代码展示了，对应类中mutable是如何加的。当然还有另一种实现方法，只要lambda表达式加了mutable，重载函数调用运算符时就不加const修饰。

总结

以上这些示例代码基本上把各种情形的lambda表达式的实现原理都展现出来了，仔细想想还是挺容易的。

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