Lambda Expressions in C++0x

Lambda expressions 指的是在使用地點即時定義、建立 function objects（or functions）的式子。在 functional programming languages 裡面，函式是第一級（first-class）物件，且大量使用 higher-order functions（接收其他函式作為引數的函式），此類能力直是天經地義。例如 Common Lisp 這麼寫：

(lambda (x) (+ x 1))  ; 定義一個 function，接收一個引數 x，回返 x + 1 的值

Haskell 這麼寫

\x -> x + 1  -- 定義一個 function，接收一個引數 x，回返 x + 1 的值

Ruby 少用迴圈而大量使用 blocks，意義與 lambda expressions 幾乎相同：

(1..5).each {|x| puts x + 1}  # 將 1 到 5 間的每個數傳入隨附於呼叫的 block 之內，
                              # 對於每個傳入的 x，印出 x + 1 的值                            

如果要產生第一級（first-class）的 blocks，也可使用 Kernel.lambda 將 block 轉換為 Proc object：

lambda {|x| x + 1}  # 產出一個 Proc object，接收一個引數 x，回返 x + 1 的值

JavaScript 的語法也很直覺：

function (x) { return x + 1; }  // 定義一個 function，接收一個引數 x，回返 x + 1 的值

Java 雖然語法囉唆且必須和 interface（or (abstract) classes）一同使用，但也透過 anonymous inner classes 支援此事：

interface Int2Int {
  int apply(int x);
}

// ...

new Int2Int() {
  int apply(int x) {
    return x + 1;
  }
}  // 至此生成一個實作 Int2Int interface 的 object

C++ 面對示例裡這種簡單的 function objects 仍遊刃有餘：

bind2nd(plus<int>(), 1)  // 造出一個 function object，接收 x 回返 x + 1

但相較於上列語言，這個奠基於 library 的機制顯然不夠一般化，意義也不那麼明顯。Boost Lambda Library 的效果不錯：

_1 + 1  // 造出一個 function object，接收一個數（作為第一引數），回返那個數加 1

但內部所用的 expression template 技巧需要較長編譯時間，而且有所侷限。（詳見 proposal N1968 Sec. 1.1, p.2）因此，C++0x 很可能內建 lambda expressions，這將大大鼓勵 standard library algorithms 的使用。

目前（如 proposal N1968 所述）提議的語法像這樣：

<> (int x) { return x + 1; }

這將使一個 class 被定義出來，具有一個 public operator()，並在那個 lambda expression 出現的地方即時建立一個該 class 的 object。上述 lambda expression 並未指明造出的 function object 的 call operator 回返型別，因為 C++0x 另外有個 proposal 是 auto 和 decltype（ref. proposal N1705）。前者我已多次提及，而後者可用來推導算式的型別。上面那個 lambda expression 就等價於：

<> (int x) -> decltype(x + 1) { return x + 1; }

Lambda expressions（or more specifically, closures）最有意思的特性在於能夠存取所處語境（context）的狀態（state，i.e. 變數的值），例如：

vector<int> v;

// fill v with some values...

int n;
cin >> n;

for_each(v.begin(), v.end(), <> (int& x) -> void { x += n; } );

（關於「for_each 的 "non-mutating algorithms" 身分與此處用法相衝突」的討論請見《for_each??》此文與我的回覆。）上示的那個 lambda expression 會在產出的 function object 之內以 by-value 方式儲存一份 n 的複本。如果想要的是 by-reference 語意，可以這麼寫：

ofstream fout;

// open fout...

for_each(v.begin(), v.end(), <> (int x) -> void extern(fout) { fout << x << endl; } );

如果這個 lambda expression 所造出的 function object 被喚起時，fout 已經退離作用域（gets out of scope），將導致 undefined behavior。（很好想像，如同提領使用 dangling pointer 一般。）

相較於 Ruby、Java 兩個非函數式語言（和函數式語言還有什麼好比 XD），C++ 對 "function as a first-class object" 的支援最為漂亮，主要關鍵在於重載 operator() 的能力。而 lambda expression 加入後，程式員使用 function objects 的意願必然會大為提高，對於 functional programming in C++ 絕對有相當大的正面影響。（目前 C++ functional programming 的勢力相當弱，類似當年 generic programming（或 template 的應用）被視為附屬於 data abstraction 之下；不過 C++ functional programming 的勢力應該沒辦法成長到像 generic programming 那般規模，畢竟 C++ 本質上是 imperative language。）關於 lambda expressions 的其餘細節請參閱相關 proposals，或等到 2009 年（根據《Effective C++, 3/e》）閱讀《The C++ Programming Language, 4/e》或《C++ Primer, 5/e》:)。

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Lambda expressions 在我的 C++0x wishlist 上排名很前面，因為實在太好用了 XD。

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本文同時展示四種註釋（comment）形式 XD。