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16 | 函数对象和lambda：进入函数式编程

你好，我是吴咏炜。

本讲我们将介绍函数对象，尤其是匿名函数对象——lambda 表达式。今天的内容说难不难，但可能跟你的日常思维方式有较大的区别，建议你一定要试验一下文中的代码（使用 xeus-cling 的同学要注意：xeus-cling 似乎不太喜欢有 lambda 的代码😓；遇到有问题时，还是只能回到普通的编译执行方式了）。

C++98 的函数对象

函数对象（function object）[1] 自 C++98 开始就已经被标准化了。从概念上来说，函数对象是一个可以被当作函数来用的对象。它有时也会被叫做 functor，但这个术语在范畴论里有着完全不同的含义，还是不用为妙——否则玩函数式编程的人可能会朝着你大皱眉头的。

下面的代码定义了一个简单的加 n 的函数对象类（根据一般的惯例，我们使用了 struct 关键字而不是 class 关键字）：

struct adder {
  adder(int n) : n_(n) {}
  int operator()(int x) const
  {
    return x + n_;
  }
private:
  int n_;
};

它看起来相当普通，唯一有点特别的地方就是定义了一个 operator()，这个运算符允许我们像调用函数一样使用小括号的语法。随后，我们可以定义一个实际的函数对象，如 C++11 形式的：

auto add_2 = adder(2);

或 C++98 形式的：

adder add_2(2);

得到的结果 add_2 就可以当作一个函数来用了。你如果写下 add_2(5) 的话，就会得到结果 7。

C++98 里也定义了少数高阶函数：你可以传递一个函数对象过去，结果得到一个新的函数对象。最典型的也许是目前已经从 C++17 标准里移除的 bind1st 和 bind2nd 了（在 头文件中提供）：

auto add_2 = bind2nd(plus<int>(), 2);

这样产生的 add_2 功能和前面相同，是把参数 2 当作第二个参数绑定到函数对象 plus<int>（它的 operator() 需要两个参数）上的结果。当然，auto 在 C++98 里是没有的，结果要赋给一个变量就有点别扭了，得写成：

binder2nd<plus<int> > add_2(
  plus<int>(), 2);

因此，在 C++98 里我们通常会直接使用绑定的结果：

#include <algorithm>
#include <functional>
#include <vector>
using namespace std;

vector v{1, 2, 3, 4, 5};
transform(v.begin(), v.end(),
          v.begin(),
          bind2nd(plus<int>(), 2));

上面的代码会将容器里的每一项数值都加上 2（transform 函数模板在 头文件中提供）。可以验证结果：

v

{ 3, 4, 5, 6, 7 }

函数的指针和引用

除非你用一个引用模板参数来捕捉函数类型，传递给一个函数的函数实参会退化成为一个函数指针。不管是函数指针还是函数引用，你也都可以当成函数对象来用。

假设我们有下面的函数定义：

int add_2(int x)
{
  return x + 2;
};

如果我们有下面的模板声明：

template <typename T>
auto test1(T fn)
{
  return fn(2);
}

template <typename T>
auto test2(T& fn)
{
  return fn(2);
}

template <typename T>
auto test3(T* fn)
{
  return (*fn)(2);
}

当我们拿 add_2 去调用这三个函数模板时，fn 的类型将分别被推导为 int (*)(int)、int (&)(int) 和 int (*)(int)。不管我们得到的是指针还是引用，我们都可以直接拿它当普通的函数用。当然，在函数指针的情况下，我们直接写 *value 也可以。因而上面三个函数拿 add_2 作为实参调用的结果都是 4。

很多接收函数对象的地方，也可以接收函数的指针或引用。但在个别情况下，需要通过函数对象的类型来区分函数对象的时候，就不能使用函数指针或引用了——原型相同的函数，它们的类型也是相同的。

Lambda 表达式

Lambda 表达式 [2] 是一个源自阿隆佐·邱奇（Alonzo Church）——艾伦·图灵（Alan Turing）的老师——的术语。邱奇创立了 λ 演算 [3]，后来被证明和图灵机是等价的。

我们先不看数学上的 λ 表达式，看一下上一节给出的代码在使用 lambda 表达式时可以如何简化。

auto add_2 = [](int x) {
  return x + 2;
};

显然，定义 add_2 不再需要定义一个额外的类型了，我们可以直接写出它的定义。理解它只需要注意下面几点：

• Lambda 表达式以一对中括号开始（中括号中是可以有内容的；稍后我们再说）
• 跟函数定义一样，我们有参数列表
• 跟正常的函数定义一样，我们会有一个函数体，里面会有 return 语句
• Lambda 表达式一般不需要说明返回值（相当于 auto）；有特殊情况需要说明时，则应使用箭头语法的方式（参见[第 8 讲]）：[]​(int x) -> int { … }
• 每个 lambda 表达式都有一个全局唯一的类型，要精确捕捉 lambda 表达式到一个变量中，只能通过 auto 声明的方式

当然，我们想要定义一个通用的 adder 也不难：

auto adder = [](int n) {
  return [n](int x) {
    return x + n;
  };
};

这次我们直接返回了一个 lambda 表达式，并且中括号中写了 n 来捕获变量 n 的数值。这个函数的实际效果和前面的 adder 函数对象完全一致。也就是说，捕获 n 的效果相当于在一个函数对象中用成员变量存储其数值。

纯粹为了满足你可能有的好奇心，上面的 adder 相当于这样一个 λ 表达式：

  
\\mathrm{adder} = \\lambda n.(\\lambda x.(+ \\ x \\ n))  

如果你去学 Lisp 或 Scheme 的话，你就会发现这些语言和 λ 表达式几乎是一一映射了。在 C++ 里，表达虽然稍微啰嗦一点，但也比较接近了。用我上面的 adder ，就可以得到类似于函数式编程语言里的 currying [4] 的效果——把一个操作（此处是加法）分成几步来完成。没见过函数式编程的，可能对下面的表达式感到奇怪吧：

auto seven = adder(2)(5);

不过，最常见的情况是，写匿名函数就是希望不需要起名字。以前面的把所有容器元素值加 2 的操作为例，使用匿名函数可以得到更简洁可读的代码：

transform(v.begin(), v.end(),
          v.begin(),
          [](int x) {
            return x + 2;
          });

到了可以使用 ranges（已在 C++20 标准化）的时候，代码可以更短、更灵活。这个我们就留到后面再说了。

一个 lambda 表达式除了没有名字之外，还有一个特点是你可以立即进行求值。这就使得我们可以把一段独立的代码封装起来，达到更干净、表意的效果。

先看一个简单的例子：

[](int x) { return x * x; }(3)

这个表达式的结果是 3 的平方 9。即使这个看似无聊的例子，都是有意义的，因为它免去了我们定义一个 constexpr 函数的必要。只要能满足 constexpr 函数的条件，一个 lambda 表达式默认就是 constexpr 函数。

另外一种用途是解决多重初始化路径的问题。假设你有这样的代码：

Obj obj;
switch (init_mode) {
case init_mode1:
  obj = Obj(…);
  break;
case init_mode2;
  obj = Obj(…);
  break;
…
}

这样的代码，实际上是调用了默认构造函数、带参数的构造函数和（移动）赋值函数：既可能有性能损失，也对 Obj 提出了有默认构造函数的额外要求。对于这样的代码，有一种重构意见是把这样的代码分离成独立的函数。不过，有时候更直截了当的做法是用一个 lambda 表达式来进行改造，既可以提升性能（不需要默认函数或拷贝/移动），又让初始化部分显得更清晰：

auto obj = [init_mode]() {
  switch (init_mode) {
  case init_mode1:
    return Obj(…);
    break;
  case init_mode2:
    return Obj(…);
    break;
  …
  }
}();

变量捕获

现在我们来细看一下 lambda 表达式中变量捕获的细节。

变量捕获的开头是可选的默认捕获符 = 或 &，表示会自动按值或按引用捕获用到的本地变量，然后后面可以跟（逗号分隔）：

• 本地变量名标明对其按值捕获（不能在默认捕获符 = 后出现；因其已自动按值捕获所有本地变量）
• & 加本地变量名标明对其按引用捕获（不能在默认捕获符 & 后出现；因其已自动按引用捕获所有本地变量）
• this 标明按引用捕获外围对象（针对 lambda 表达式定义出现在一个非静态类成员内的情况）；注意默认捕获符 = 和 & 号可以自动捕获 this（并且在 C++20 之前，在 = 后写 this 会导致出错）
• *this 标明按值捕获外围对象（针对 lambda 表达式定义出现在一个非静态类成员内的情况；C++17 新增语法）
• 变量名 = 表达式 标明按值捕获表达式的结果（可理解为 auto 变量名 = 表达式）
• &变量名 = 表达式 标明按引用捕获表达式的结果（可理解为 auto& 变量名 = 表达式）

从工程的角度，大部分情况不推荐使用默认捕获符。更一般化的一条工程原则是：**显式的代码比隐式的代码更容易维护。**当然，在这条原则上走多远是需要权衡的，你也不愿意写出非常啰嗦的代码吧？否则的话，大家就全部去写 C 了。

一般而言，按值捕获是比较安全的做法。按引用捕获时则需要更小心些，必须能够确保被捕获的变量和 lambda 表达式的生命期至少一样长，并在有下面需求之一时才使用：

• 需要在 lambda 表达式中修改这个变量并让外部观察到
• 需要看到这个变量在外部被修改的结果
• 这个变量的复制代价比较高

如果希望以移动的方式来捕获某个变量的话，则应考虑 变量名 = 表达式 的形式。表达式可以返回一个 prvalue 或 xvalue，比如可以是 std::move(需移动捕获的变量)。

上一节我们已经见过简单的按值捕获。下面是一些更多的演示变量捕获的例子。

按引用捕获：

vector<int> v1;
vector<int> v2;
…
auto push_data = [&](int n) {
  // 或使用 [&v1, &v2] 捕捉
  v1.push_back(n);
  v2.push_back(n)
};

push_data(2);
push_data(3);

这个例子很简单。我们按引用捕获 v1 和 v2，因为我们需要修改它们的内容。

按值捕获外围对象：

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
#include <thread>

using namespace std;

int get_count()
{
  static int count = 0;
  return ++count;
}

class task {
public:
  task(int data) : data_(data) {}
  auto lazy_launch()
  {
    return
      [*this, count = get_count()]()
      mutable {
        ostringstream oss;
        oss << "Done work " << data_
            << " (No. " << count
            << ") in thread "
            << this_thread::get_id()
            << '\n';
        msg_ = oss.str();
        calculate();
      };
  }
  void calculate()
  {
    this_thread::sleep_for(100ms);
    cout << msg_;
  }

private:
  int data_;
  string msg_;
};

int main()
{
  auto t = task{37};
  thread t1{t.lazy_launch()};
  thread t2{t.lazy_launch()};
  t1.join();
  t2.join();
}

这个例子稍复杂，演示了好几个 lambda 表达式的特性：

• mutable 标记使捕获的内容可更改（缺省不可更改捕获的值，相当于定义了 operator()(…) const）；
• [*this] 按值捕获外围对象（task）；
• [count = get_count()] 捕获表达式可以在生成 lambda 表达式时计算并存储等号后表达式的结果。

这样，多个线程复制了任务对象，可以独立地进行计算。请自行运行一下代码，并把 *this 改成 this，看看输出会有什么不同。

泛型 lambda 表达式

函数的返回值可以 auto，但参数还是要一一声明的。在 lambda 表达式里则更进一步，在参数声明时就可以使用 auto（包括 auto&& 等形式）。不过，它的功能也不那么神秘，就是给你自动声明了模板而已。毕竟，在 lambda 表达式的定义过程中是没法写 template 关键字的。

还是拿例子说话：

template <typename T1,
          typename T2>
auto sum(T1 x, T2 y)
{
  return x + y;
}

跟上面的函数等价的 lambda 表达式是：

auto sum = [](auto x, auto y)
{
  return x + y;
}

是不是反而更简单了？😂

你可能要问，这么写有什么用呢？问得好。简单来说，答案是可组合性。上面这个 sum，就跟标准库里的 plus 模板一样，是可以传递给其他接受函数对象的函数的，而 + 本身则不行。下面的例子虽然略有点无聊，也可以演示一下：

#include <array>    // std::array
#include <iostream> // std::cout/endl
#include <numeric>  // std::accumulate

using namespace std;

int main()
{
  array a{1, 2, 3, 4, 5};
  auto s = accumulate(
    a.begin(), a.end(), 0,
    [](auto x, auto y) {
      return x + y;
    });
  cout << s << endl;
}

虽然函数名字叫 accumulate——累加——但它的行为是通过第四个参数可修改的。我们把上面的加号 + 改成星号 *，上面的计算就从从 1 加到 5 变成了算 5 的阶乘了。

bind 模板

我们上面提到了 bind1st 和 bind2nd 目前已经从 C++ 标准里移除。原因实际上有两个：

• 它的功能可以被 lambda 表达式替代
• 有了一个更强大的 bind 模板 [5]

拿我们之前给出的例子：

transform(v.begin(), v.end(),
          v.begin(),
          bind2nd(plus<int>(), 2));

现在我们可以写成：

using namespace std::
  placeholders;  // for _1, _2...
transform(v.begin(), v.end(),
          v.begin(),
          bind(plus<>(), _1, 2));

原先我们只能把一个给定的参数绑定到第一个参数或第二个参数上，现在则可以非常自由地适配各种更复杂的情况！当然，bind 的参数数量，必须是第一个参数（函数对象）所需的参数数量加一。而 bind 的结果的参数数量则没有限制——你可以无聊地写出 bind(plus<>(), _1, _3)(1, 2, 3)，而结果是 4（完全忽略第二个参数）。

你可能会问，它的功能是不是可以被 lambda 表达式替代呢。回答是“是”。对 bind 只需要稍微了解一下就好——在 C++14 之后的年代里，已经没有什么地方必须要使用 bind 了。

function 模板

每一个 lambda 表达式都是一个单独的类型，所以只能使用 auto 或模板参数来接收结果。在很多情况下，我们需要使用一个更方便的通用类型来接收，这时我们就可以使用 function 模板 [6]。function 模板的参数就是函数的类型，一个函数对象放到 function 里之后，外界可以观察到的就只剩下它的参数、返回值类型和执行效果了。注意 function 对象的创建还是比较耗资源的，所以请你只在用 auto 等方法解决不了问题的时候使用这个模板。

下面是个简单的例子。

map<string, function<int(int, int)>>
  op_dict{
    {"+",
     [](int x, int y) {
       return x + y;
     }},
    {"-",
     [](int x, int y) {
       return x - y;
     }},
    {"*",
     [](int x, int y) {
       return x * y;
     }},
    {"/",
     [](int x, int y) {
       return x / y;
     }},
  };

这儿，由于要把函数对象存到一个 map 里，我们必须使用 function 模板。随后，我们就可以用类似于 op_dict.at("+")(1, 6) 这样的方式来使用 function 对象。这种方式对表达式的解析处理可能会比较有用。

内容小结

在这一讲中，我们了解了函数对象和 lambda 表达式的基本概念，并简单介绍了 bind 模板和 function 模板。它们在泛型编程和函数式编程中都是重要的基础组成部分，你应该熟练掌握。

课后思考

请：

1. 尝试一下，把文章的 lambda 表达式改造成完全不使用 lambda。
2. 体会一下，lambda 表达式带来了哪些表达上的好处。

欢迎留言和我分享你的想法。

参考资料

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