Lambda 表达式 (C++11 起)

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函数
 

构造闭包：能够捕获作用域中变量的无名函数对象。

目录

[编辑] 语法

[ captures ] <tparams>(可选)(C++20) ( params ) specifiers(可选) exception attr -> ret requires(可选)(C++20) { body } (1)
[ captures ] ( params ) -> ret { body } (2)
[ captures ] ( params ) { body } (3)
[ captures ] { body } (4)

1) 完整声明。

2) const lambda 的声明：以复制捕获的对象在 lambda 体内为 const 。

3) 省略尾随返回类型：闭包的 operator() 的返回类型根据下列规则确定：

(C++14 前)

返回类型从 return 语句推导，如同对于返回类型声明为 auto 的函数。

(C++14 起)

4) 省略参数列表：函数不接收参数，如同参数列表是 () 。仅若不使用 constexpr 、 mutable 、异常规定、属性或尾随返回类型之一才能使用此形式。

[编辑] 解释

captures - 零或更多捕获的逗号分隔列表，可选地以 capture-default 起始。

捕获列表能按如下方式传递（详细描述见下方）：

  • [a,&b] 其中 a 以复制捕获而 b 以引用捕获。
  • [this] 以引用捕获当前对象（ *this ）
  • [&] 以引用捕获所有用于 lambda 体内的自动变量，并以引用捕获当前对象，若存在
  • [=] 以复制捕获所有用于 lambda 体内的自动变量，并以引用捕获当前对象，若存在
  • [] 不捕获

若变量满足下列条件，则 lambda 表达式能使用而不捕获它

  • 为非局部变量，或拥有静态或线程局域存储期（该情况下不能捕获该变量），或
  • 为以常量表达式初始化的引用。

若变量满足下列条件，则 lambda 表达式能读取其值而不捕获它

  • 拥有 const 而非 volatile 的整数或枚举类型，并已用常量表达式初始化，或
  • 为 constexpr 且为可平凡复制构造。

不能捕获结构化绑定。

(C++17 起)
<tparams>(C++20) - 模板形参列表（于角括号中），用于提供名称给泛型 lambda 的模板形参（见后述 ClosureType::operator() ）。类似在模板声明中，模板形参列表可以后附可选的 requires 子句，它指定模板实参上的制约。
params - 参数列表，如在具名函数中，除了不允许默认参数 (C++14 前)。若以 auto 为参数类型，则该 lambda 为泛型 lambda 。 (C++14 起)
specifiers - 可选的指定符序列。允许下列指定符：
  • mutable ：允许 body 修改以复制捕获的参数，及调用其非 const 成员函数
  • constexpr ：显式指定函数调用运算符为 constexpr 函数。此指定符不存在时，若函数调用运算符恰好满足所有 constexpr 函数要求，则它也会是 constexpr
(C++17 起)
exception - 为闭包类型的 operator() 提供异常规定或 noexcept 子句
attr - 为闭包类型的 operator() 提供属性指定
ret - 返回类型。若缺失，则由函数的 return 语句所隐含（或若函数不返回任何值则为 void ）
body - 函数体

Lambda 表达式是纯右值表达式，其类型是唯一的无名非联合非聚合类类型，被称为闭包类型，它（为 ADL 的目的）声明于含有该 lambda 表达式的最小块作用域、类作用域或命名空间作用域。闭包类型有下列成员：

ClosureType::operator()(params)

ret operator()(params) const { body }
 (不使用关键词 mutable)
ret operator()(params) { body }
 (使用关键词 mutable)
template<template-params>
ret operator()(params) { body }
 (C++14 起)
(泛型 lambda)
template<template-params>
ret operator()(params) { body }
 (C++14 起)
(泛型 lambda ，使用关键词 mutable)

在调用时执行 lambda 表达式体。访问变量时，访问其被捕获的副本（对于以复制捕获的实体）或原对象（对于以引用捕获的实体）。除非于 lambda 表达式使用关键词 mutable ，否则函数调用表达式为 const 限定，且以复制捕获的对象从此operator() 的内部不可修改。函数调用运算符决非 volatile 限定且决非虚。

若函数调用运算符满足 constexpr 函数的要求，则它始终是 constexpr 。若关键词 constexpr 用于 lambda 声明，则它亦为 constexpr 。

(C++17 起)

对于 params 中每个类型指定为 auto 的参数，以出现顺序添加一个虚设模板形参到 template-params 。虚设模板形参可以是参数包，若对应的 params 函数成员是函数参数包。 

// 泛型 lambda ， operator() 是有二个形参的模板
auto glambda = [](auto a, auto&& b) { return a < b; };
bool b = glambda(3, 3.14); // ok
 
// 泛型 lambda ， operator() 是有一个形参的模板
auto vglambda = [](auto printer) {
    return [=](auto&&... ts) // 泛型 lambda ， ts 是形参包
    { 
        printer(std::forward<decltype(ts)>(ts)...);
        return [=] { printer(ts...); }; // 空型 lambda （不接收参数）
    };
};
auto p = vglambda([](auto v1, auto v2, auto v3) { std::cout << v1 << v2 << v3; });
auto q = p(1, 'a', 3.14); // 输出 1a3.14
q();                      // 输出 1a3.14

ClosureType 的 operator() 不能被显式实例化或显式特化。

(C++14 起)

若 lambda 定义使用显式模板形参列表，则模板形参列表用于 operator() 。对于 params 中每个类型指定为 auto 的参数，后附一个额外的虚设模板形参到模板形参列表尾部： 

// 泛型 lambda ， operator() 是有二个形参的模板
auto glambda = []<class T>(T a, auto&& b) { return a < b; };
 
// 泛型 lambda ， operator() 是有一个形参包的模板
auto f = []<typename ...Ts>(Ts&& ...ts) {
   return foo(std::forward<Ts>(ts)...);
};
 (C++20 起)

Lambda 表达式上的异常规定 exception 应用于函数调用运算符或运算符模板。

为了名称查找、确定 this 指针的类型和值，及为访问非静态类成员，闭包类型的函数调用运算符体被认为在 lambda 表达式的环境中。 

struct X {
    int x, y;
    int operator()(int);
    void f()
    {
        // 下列 lambda 的环境是成员函数 X::f
        [=]()->int
        {
            return operator()(this->x + y); // X::operator()(this->x + (*this).y)
                                            // 拥有类型 X*
        };
    }
};

ClosureType 的 operator() 不能于友元声明中指名。

悬垂引用

若以引用隐式或显式捕获非引用实体，且在实体的生存期结束后调用闭包的函数调用运算符，则未定义行为发生。 C++ 闭包不通过被捕获的引用延长生存期。

同样适用于被捕获的 this 指针所指向对象的生存期。

ClosureType::operator ret(*)(params)()

(无捕获非泛型 lambda)
using F = ret(*)(params);
operator F() const;
 (C++17 前)
using F = ret(*)(params);
constexpr operator F() const;
 (C++17 起)
(无捕获泛型 lambda)
template<template-params> using fptr_t = /*see below*/;
template<template-params> operator fptr_t<template-params>() const;
 (C++14 起)
(C++17 前)
template<template-params> using fptr_t = /*see below*/;
template<template-params> operator fptr_t<template-params>() const;
 (C++17 起)

此用户定义转换函数仅若 lambda 表达式的捕获列表为空才得到定义。它是闭包对象的公开、 constexpr (C++17 起) 非虚、非 explicit 、 const noexcept (C++14 起) 成员函数。

泛型无捕获 lambda 拥有用户定义函数转换模板，它拥有与函数调用运算符模板相同的虚设模板形参。若返回类型为空或 auto ，则返回类型以函数模板特化上的返回类型推导获得，也就是以转换函数模板的模板实参推导获得。 

void f1(int (*)(int)) {}
void f2(char (*)(int)) {}
void h(int (*)(int)) {} // #1
void h(char (*)(int)) {} // #2
auto glambda = [](auto a) { return a; };
f1(glambda); // ok
f2(glambda); // 错误：不可转换
h(glambda); // ok ：调用 #1 因为 #2 不可转换
 
int& (*fpi)(int*) = [](auto* a)->auto& { return *a; }; // ok
 (C++14 起)

此转换函数返回的值是指向拥有 C++ 语言链接的函数，而该函数得到调用时，拥有与直接调用闭包对象的函数调用运算符的相同效果。

若函数调用运算符（或对于泛型 lambda 为特化）为 constexpr ，则此函数为 constexpr 。 

auto Fwd= [](int(*fp)(int), auto a){return fp(a);};
auto C=[](auto a){return a;};
static_assert(Fwd(C,3)==3);// OK
auto NC=[](auto a){ static int s; return a;};
static_assert(Fwd(NC,3)==3); // 错误：因为 s 而没有能为 constexpr 的特化

若闭包对象的 operator() 拥有不抛出异常规定，则此函数返回的指针拥有指向 noexcept 函数的指针类型。

(C++17 起)

ClosureType::ClosureType()

ClosureType() = delete;
 (C++14 前)
ClosureType(const ClosureType& ) = default;
 (C++14 起)
ClosureType(ClosureType&& ) = default;
 (C++14 起)

闭包类型非可默认构造 (DefaultConstructible) 。闭包类型有被删除的 (C++14 前)无 (C++14 起)默认构造函数。复制构造函数与移动构造函数被隐式声明 (C++14 前)声明为默认化 (C++14 起)并可能按照复制构造函数与移动构造函数的通常规则隐式定义。

ClosureType::operator=(const ClosureType&)

ClosureType& operator=(const ClosureType&) = delete;

闭包类型非可复制赋值 (CopyAssignable) 。

ClosureType::~ClosureType()

~ClosureType() = default;

析构函数是隐式声明的。

ClosureType::Captures

T1 a;

T2 b;

...

若 lambda 表达式以复制（隐式地以捕获子句 [=] 或显式地以不含字符 & 的捕获任何内容，例如 [a, b, c] ），则闭包类型包含以未指定顺序声明的无名非静态数据成员，它保有所有被如此捕获的实体的副本。

对应无初始化器捕获的数据成员在求值 lambda 表达式时被直接初始化。对应有初始化器捕获者按初始化器的要求初始化（可为复制或直接初始化）。若捕获数组，则数组元素以下标递增顺序直接初始化。数据成员初始化所用顺序是声明所用顺序（它是未指定的）。

每个数据成员的类型是对应被捕获实体的类型，除非实体拥有引用类型（该情况下，到函数的引用被捕获为到被引用函数的左值引用，而到引用的对象被捕获为被引用对象的副本）。

对于以引用捕获（以默认捕获 [&] 或使用字符 & ，例如 [&a, &b, &c] 时）的实体，闭包类型中是否声明附加的数据成员是未指定的，但任何这种附加成员必须满足字面类型 (LiteralType) (C++17 起)。

Lambda 表达式不允许存在于不求值表达式、模板实参、别名声明、 typedef 声明及函数（或函数模板）声明中函数体和函数默认参数以外的任何位置。

(C++20 前)

[编辑] Lambda 捕获

captures 是零或更多捕获的逗号分隔列表，可选地以 capture-default 开始。仅有的捕获默认是

  • & （以引用隐式捕获 odr 使用的自动变量）和
  • = （以复制捕获 odr 使用的自动变量）。

无论存在哪个捕获默认，都能隐式捕获当前对象（ *this ）。若隐式捕获，则始终以引用捕获之，即使捕获默认是 = 。

captures 中合法捕获的语法是

identifier (1)
identifier ... (2)
identifier initializer (3) (C++14 起)
& identifier (4)
& identifier ... (5)
& identifier initializer (6) (C++14 起)
this (7)
* this (8) (C++17 起)
1) 简单以复制捕获
2) 作为包展开的简单以复制捕获
3) 带初始化器的以复制捕获
4) 简单以引用捕获
5) 作为包展开的简单引用捕获
6) 带初始化器的以引用捕获
7) 当前对象的简单以引用捕获
8) 当前对象的简单以复制捕获

若捕获默认是 & ，则后继简单捕获必须不以 & 开始。 

struct S2 { void f(int i); };
void S2::f(int i)
{
    [&]{};          // OK ：默认以引用捕获
    [&, i]{};       // OK ：以值捕获，除了 i 以引用捕获
    [&, &i] {};     // 错误：默认以引用时的以引用捕获
    [&, this] {};   // OK ：等价于 [&]
    [&, this, i]{}; // OK ：等价于 [&, i]
}

若捕获默认是 = ，则后继简单捕获必须以 & 开始或是 *this (C++17 起) 或 this (C++20 起) 。 

struct S2 { void f(int i); };
void S2::f(int i)
{
    [=]{};          // OK ：默认以复制捕获
    [=, &i]{};      // OK ：以复制捕获，除了 i 以引用捕获
    [=, *this]{};   // C++17 前：错误：非法语法
                    // C++17 起： OK ：以复制捕获外围 S2
    [=, this] {};   // C++20 前：错误： = 为默认时的 this
                    // C++20 起： OK ：同 [=]
}

任何捕获只可以出现一次： 

struct S2 { void f(int i); };
void S2::f(int i)
{
    [i, i] {};        // 错误： i 重复
    [this, *this] {}; // 错误： "this" 重复 (C++17)
}

只有定义于块作用域或默认成员初始化器中的 lambda 表达式能拥有无初始化器的捕获默认。对于这种 lambda 表达式，触及作用域定义为直至并包含最内层的外围函数（及其参数）的外围作用域集。这包含嵌套块作用域及外围 lambda 的作用域，若此 lambda 为嵌套。

任何无初始化器的捕获（异于 this 捕获中的 identifier 用通常非限定名称查找在 lambda 的触及作用域中查找。查找结果必须是声明于触及作用域中，有自动存储期的变量。变量（或 this ）被显式捕获。

带初始化器的捕获，行动如同它声明并显示捕获以类型 auto 声明的变量，变量的声明性区域是 lambda 表达式体（即它不在其初始化器的作用域中），除了：

  • 若捕获以复制，则闭包的非静态数据成员是另一种指代该自动变量的方式。
  • 若捕获以引用在，则引用变量的生存期在闭包对象的生存期结束时结束。

这用于捕获仅移动类型，以例如 x = std::move(x) 的捕获 

int x = 4;
auto y = [&r = x, x = x + 1]()->int
    {
        r += 2;
        return x * x;
    }(); // 更新 ::x 为 6 并初始化 y 为 25 。
 (C++14 起)

若捕获列表拥有捕获默认，且不显式捕获外围对象（如 this 或 *this ）或任何自动变量，则它隐式捕获之，若

  • 或者，变量或 this 在依赖泛型 lambda 形参的 (C++17 前)表达式内的潜在求值表达式中被指名（包括在使用非静态类成员的前添加隐式的 this-> 时）。为此目的，始终认为 typeid 的运算数被潜在求值。即使仅在被舍弃语句中指名实体，也能隐式捕获它。 (C++17 起) 
void f(int, const int (&)[2] = {}) {} // #1
void f(const int&, const int (&)[1]) {} // #2
void test()
{
    const int x = 17;
    auto g0 = [](auto a) { f(x); }; // ok ：调用 #1 ，不捕获 x
    auto g1 = [=](auto a) { f(x); }; // C++14 中不捕获 x ， C++17 中捕获 x
                                     // 捕获能被优化掉
    auto g2 = [=](auto a) {
            int selector[sizeof(a) == 1 ? 1 : 2] = {};
            f(x, selector); // ok ：此为依赖表达式，故 x
    };
    auto g3 = [=](auto a) {
      typeid(a + x);  // 捕获 x ，不管 a + x 是否为不求值运算数
    };
}
 (C++14 起)

若 lambda 体 odr 使用以复制捕获的实体，则它访问闭包类型的成员。若它不 odr 使用该实体，则访问是到原对象的： 

void f(const int*);
void g()
{
    const int N = 10;
    [=]{ 
        int arr[N]; // 非 odr 使用：指代 g 的 const int N
        f(&N); // odr 使用：导致 N 被捕获（以复制）
               // &N 是闭包对象的成员 N 的地址，而非 g 的 N 的
    }();
}
若 lambda odr 使用以引用捕获的引用，则它使用原引用所指代的对象，而非被捕获的引用自身：
运行此代码
#include <iostream>
 
auto make_function(int& x) {
  return [&]{ std::cout << x << '\n'; };
}
 
int main() {
  int i = 3;
  auto f = make_function(i); // x 于 f 中的使用直接绑定到 i
  i = 5;
  f(); // OK ：打印 5
}


在 lambda 体内，在任何有自动存储期的变量上的任何 decltype 使用如同将它捕获并 odr 使用，尽管 decltype 自身不是 odr 使用且不发生实际捕获： 

void f3() {
    float x, &r = x;
    [=]
    { // x 与 r 不被捕获（出现作 decltype 运算数中不是 odr 使用）
        decltype(x) y1; // y1 拥有 float 类型
        decltype((x)) y2 = y1; // y2 拥有 float const& 类型，因为此 lambda
                               // 非 mutable 且 x 是左值
        decltype(r) r1 = y1;   // r1 拥有 float& 类型（不考虑变换）
        decltype((r)) r2 = y2; // r2 拥有 float const& 类型
    };
}

Lambda 所捕获（隐式或显示）的任何实体为 lambda 表达式所 odr 使用（从而嵌套 lambda 的隐式捕获触发外围 lambda 的隐式捕获）。

所有隐式捕获的变量必须声明于 lambda 的触及作用域中。

若 lambda 捕获外围对象（用 this 或 *this ），则最接近的外围函数必须是非静态成员函数，或者该 lambda 必须在默认成员初始化器中： 

struct s2 {
  double ohseven = .007;
  auto f() { // 下列二个 lambda 的最接近外围函数
    return [this] { // 以引用捕获外围 s2
      return [*this] { // 以复制捕获外围 s2  (C++17)
          return ohseven; // OK
       }
     }();
  }
  auto g() {
     return []{ // 无捕获
         return [*this]{}; // 错误： *this 未为外层 lambda 表达式所捕获
      }();
   }
};

若 lambda 表达式（或泛型 lambda 的函数调用运算符） ODR 使用 this 或任何有自动存储期的变量，则它必须为 lambda 表达式所捕获。 

void f1(int i)
{
    int const N = 20;
    auto m1 = [=] {
            int const M = 30;
            auto m2 = [i] {
                    int x[N][M]; // N 与 M 未被 odr 使用 
                                 // （ ok 因为它们未被捕获）
                    x[0][0] = i; // i 为 m2 显式捕获
                                 // 并为 m1 隐式捕获
            };
    };
 
    struct s1 // f1() 中的局部类
    {
        int f;
        void work(int n) // 非静态成员函数
        {
            int m = n * n;
            int j = 40;
            auto m3 = [this, m] {
                auto m4 = [&, j] { // 错误： j 未为 m3 所捕获
                        int x = n; // 错误： n 为 m4 隐式捕获
                                   // 但不为 m3 所捕获
                        x += m;    // ok ： m 为 m4 捕获
                                   // 且为 m3 显式捕获
                        x += i;    // 错误： i 在触及作用域之外
                                   // （该作用域终于 work() ）
                        x += f;    // ok ： this 为 m4 隐式捕获
                                   // 且为 m3 显式捕获
                };
            };
        }
    };
}

不能捕获类成员而不带初始化器（如上提及，捕获列表中仅容许变量）： 

class S {
  int x = 0;
  void f() {
    int i = 0;
//  auto l1 = [i, x]{ use(i, x); };    // 错误： x 非变量
    auto l2 = [i, x=x]{ use(i, x); };  // OK ，复制捕获
    i = 1; x = 1; l2(); // 调用 use(0,0)
    auto l3 = [i, &x=x]{ use(i, x); }; // OK ，引用捕获
    i = 2; x = 2; l3(); // 调用 use(1,2)
  }
};

当 lambda 用隐式以复制捕获捕获成员时，它不复制该成员变量：成员变量 m 的使用被处理成表达式 (*this).m ，而 *this 始终隐式以引用捕获： 

class S {
  int x = 0;
  void f() {
    int i = 0;
    auto l1 = [=]{ use(i, x); }; // 捕获 i 的副本与 this 指针的副本
    i = 1; x = 1; l1(); // 调用 use(0,1) ，如同 i 以复制而 x 以引用
    auto l2 = [i, this]{ use(i, x); }; // 同上，令之为显式
    i = 2; x = 2; l2(); // 调用 use(1,2)，如同 i 以复制而 x 以引用
    auto l3 = [&]{ use(i, x); }; // 以引用捕获 i ，并捕获 this 指针的副本
    i = 3; x = 2; l3(); // 调用 use(3,2) ，如同 i 与 x 均以引用
    auto l4 = [i, *this]{ use(i, x); }; // 制造 *this 的副本，包含 x 的副本
    i = 4; x = 4; l4(); // 调用 use(3,2) ，如同 i 与 x 均以复制
  }
};

若 lambda 表达式出现于默认参数，则它不能显式或隐式捕获任何变量。

不能捕获匿名联合体的成员。

若嵌套 lambda m2 捕获亦为立即外围的 lambda m1 所捕获的某变量，则 m2 的捕获按下列方式传递：

  • 若外围 lambda m1 以复制捕获，则 m2 捕获 m1 的闭包类型的非静态成员，而非原变量或 this 。
  • 若外围 lambda m1 以引用捕获，则 m2 捕获原变量或 this 。
运行此代码
#include <iostream>
 
int main()
{
    int a = 1, b = 1, c = 1;
 
    auto m1 = [a, &b, &c]() mutable {
        auto m2 = [a, b, &c]() mutable {
            std::cout << a << b << c << '\n';
            a = 4; b = 4; c = 4;
        };
        a = 3; b = 3; c = 3;
        m2();
    };
 
    a = 2; b = 2; c = 2;
 
    m1();                             // 调用 m2() 并打印 123
    std::cout << a << b << c << '\n'; // 打印 234
}


[编辑] 示例

此示例演示如何传递 lambda 给泛型算法，以及 lambda 表达式所产生的对象能如何存储于 std::function 对象。

运行此代码
#include <vector>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <functional>
 
int main()
{
    std::vector<int> c = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
    int x = 5;
    c.erase(std::remove_if(c.begin(), c.end(), [x](int n) { return n < x; }), c.end());
 
    std::cout << "c: ";
    std::for_each(c.begin(), c.end(), [](int i){ std::cout << i << ' '; });
    std::cout << '\n';
 
    // 闭包的类型不能指名，但可用 auto 提及
    // C++14 起， lambda 能拥有自身的默认参数
    auto func1 = [](int i = 6) { return i + 4; };
    std::cout << "func1: " << func1() << '\n';
 
    // 同所有可调用对象，闭包能捕获于 std::function
    // （这可能带来不必要的开销）
    std::function<int(int)> func2 = [](int i) { return i + 4; };
    std::cout << "func2: " << func2(6) << '\n';
}

输出： 

c: 5 6 7
func1: 10
func2: 10

[编辑] 缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

DR 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 1891 C++14 闭包有被删除的默认构造函数和隐式的复制/移动构造函数 无默认及默认化的复制/移动
CWG 1722 C++14 无捕获 lambda 的转换函数有未指定的异常规定 转换函数为 noexcept

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auto 指定符 指定表达式所定义的类型(C++11)[编辑]
(C++11)
 包装任何类型的有指定函数调用签名的可调用对象
(类模板) [编辑]
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