C++0x：Lambda expression

Lambda expression 是之前《C 語法再加強：C 0x》一文中列出的 MSVC 10 在 C core language 加入的第三項新功能。他的基本概念是一個「匿名函式 (anonymous function)」，可以用來快速地建立一個沒有名稱的 function object 來使用。也因此，除了宣告的方法以及使用目的不太一樣外，實際上他很類似一般的 function。

而 lambda expression 的語法定義（參考 MSDN），則如下：

[]() mutable throw() -> typeid
{
  //function body
}

要細分的話，可以把它拆成六個部份，個別的意義分別是：

1. [] : lambda introducer, capture clause
   

   lambda expression 基本上就是由 [] 開始的，而且也是 lambda expression 的語法中絕對不能省略的部分；它的目的是用來告訴編譯器接下來的就是要開始寫 lambda expression 了∼

   不過實際上除了 introducer 的功能外，他還包含了所謂「capture」的功能，可以把 lambda expression 所在的 scope 內可以讀到的變數抓到 lambda expression 裡使用；而使用上也可以設定為 by value 或 by reference。除了一個一個變數設定外，可以直接使用 = 和 & 設定預設 capture（capture-default）；前者是預設將所有變數以 by value 的方式抓進來、後者則是將所有變數以 by reference 的方式抓進來。

   下面是用比較單純的例子來說明：

     1: []      // 不使用外部的變數
     2: [=]     // 全部 capture by value
     3: [&]     // 全部 capture by reference
     4: [x, &y] // x by value, y by reference
     5: [=, &y] // 除了 y by reference 外，其他全部 by value
     6: [&, x]  // 除了 x by value 外，其他全部 by reference
   

   其中要注意的是，capture-default（=、&）要放在 capture list 的第一項。

   此外，上面的例子裡的 4/5/6，如果在外部變數只有 x 和 y 的情況下，這三種寫法會是等價的。

2. () : parameter declaration list
   

   要傳入這個匿名函釋的變數，基本上就像一般的 function 一樣的用法，不過多加了一些限制：

   • 不能有預設值
   • 不能有可變長度的參數列表
   • 不能有沒命名的參數

   另外，在不需要傳參數進 lambda expression 的時候，是可以直接把 () 省略的。

3. mutable : mutable specification
   

   可以省略的東西。加上了 mutable 後，是讓 lambda expression 可以修改 capture by value 的外部變數。
   （Heresy 不太瞭的是，要修改的用 by reference 的方法抓近來不就好了？）

4. throw() : exception specification
   

   可以省略的東西。這其實是一般函式就可以加的功能，可以用來指定這個函式會不會丟出例外狀況（exception）、丟出哪種類型的例外狀況；詳細可以參考《C Exception Handling》和《Exception Specifications》。

5. -> typeid : return type clause
   

   指定 lambda 回傳值的型別。在 lambda body 沒有回傳（return）或是只有一種回傳路徑的情況下，編譯器會自動判斷回傳的型別，所以可以把這部分也省略掉。

6. {…} : function body
   

   這個 lambda expression 要做的事，就像一般 function 的程式內容。

而 lambda expression 的好處，就是可以不用實際宣告出函式，而直接拿來當 funciton object 使用。實際使用的時候，最普遍的用法應該是用在像是 STL <algorithm> 裡的函式，把 function 當參數傳進去了∼

例如下面的程式就是在 C 98 時，要使用 for_each() 時的寫法：

class LambdaFunctor
{
public:
  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;
}

而如果改用 lambda expression 的話，就可以變成：

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;
}

這樣應該很明顯看得出來，使用 lambda expression 的好處，就是可以不必額外寫出 LambdaFunctor 這個 function class 了∼

而如果要使用 capture-list 的話，下方是一個簡單的例子，他會把 vector v 中值介於 4 到 7 之間的項目給刪除掉：

int main()
{
  vector<int> v;
  for( int i = 0; i < 10;   i )
    v.push_back(i);
 
  int x = 4;
  int y = 7;
 
  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;
}

如果在 lambda introducer 裡的 capture list 裡沒有加上 x, y 的話，是會因為在 lambda function 裡找不到變數 x, y 而編譯錯誤的。

如果是要用 by reference 的話，下面是一個把 vector 加總的簡單範例：

vector<int> v;
...
 
int sum = 0;
for_each( v.begin(), v.end(), [&sum]( int n ){ sum  = n; } );

最後，由於 lambda expression 會產生類似 function obejct 的物件，所以其實我們可以用 auto 或是 tr1 的 function 來把 lambda expression 儲存下來；不過可能要注意的是，如果是用 auto 來儲存 lambda expression 的話，每次都會是不同的型別的！下面就是一個簡單的範例：

#include <functional>
#include <iostream>
 
using namespace std;
 
int main()
{
  function<void (int)> g1 = [](int n){cout << n;};
  function<void (int)> g2 = [](int n){cout << n;};
  auto g3 = [](int n){cout << n;};
  auto g4 = [](int n){cout << n;};
  
  cout << typeid( g1 ).name() << endl;
  cout << typeid( g2 ).name() << endl;
  cout << typeid( g3 ).name() << endl;
  cout << typeid( g4 ).name() << endl;
}

這樣的一段程式用 VC10 編譯後執行的結果會是：

class std::tr1::function<void __cdecl(int)>
class std::tr1::function<void __cdecl(int)>
class `anonymous namespace'::<lambda2>
class `anonymous namespace'::<lambda3>

其中可以發現，如果用 auto 來儲存 lambda expression 的話，兩個同樣寫法的 lambda expression 會被當成兩種不同型別的物件，所以兩者也是不能互換的∼

另外一提，由於 lambda expression 本身可以直接當作 function object 來使用，所以下面的語法是合法的，就相當於直接呼叫這個沒有名稱的 function object：

int a = [](){return 5;}();

甚至，下面這兩行看起來很詭異的程式，也是合法的語法∼

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

參考資料：

• 《Lambda Expressions in C 》
• 《Lambda Expression Syntax》
• 《Lambdas, auto, and static_assert: C 0x Features in VC10, Part 1》