C++

Lambdy a funkční programování

Master C++ lambda — zachycovací seznamy, měnitelné lambdy, generické lambdy a jejich použití jako predikáty algoritmů. Naučte se std::function, std::invoke a vzor IIFE.

Lambda výrazy

výraz lambda vytváří anonymní funkční objekt (uzavření) inline. Lambdy jsou primárním způsobem, jak předat chování algoritmům STL, zpětným voláním a obslužným rutinám událostí.

Úplná syntaxe je:

[captures](parameters) mutable -> return_type { body }

- Captures — variables from the enclosing scope to use inside the lambda
- Parameters — like regular function parameters
- mutable — allows modifying captured-by-value variables
- Return type — usually deduced automatically
- Body — the function body

Lambdas compile down to compiler-generated function objects (structs with operator()) — mají nulovou režii ve srovnání s ručně psanými funktory.

Základní Lambda syntaxe a zachycení

Seznam zachycení je definující vlastností lambd. Určuje, ke kterým uzavřeným proměnným má lambda přístup a jak.

lambda_captures.cpp
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> nums = {1, 5, 3, 8, 2, 9, 4, 7, 6};

    // Simplest lambda — no captures
    std::sort(nums.begin(), nums.end(),
              [](int a, int b) { return a > b; });  // descending

    // Capture by value [=] — copies variables
    int threshold = 5;
    auto above = std::count_if(nums.begin(), nums.end(),
                               [threshold](int x) { return x > threshold; });
    std::cout << "Above " << threshold << ": " << above << '\n';

    // Capture by reference [&] — references variables
    int sum = 0;
    std::for_each(nums.begin(), nums.end(),
                  [&sum](int x) { sum += x; });
    std::cout << "Sum: " << sum << '\n';

    // Mixed captures
    int min_val = 3, max_val = 7;
    auto in_range = std::count_if(nums.begin(), nums.end(),
        [min_val, &max_val](int x) { return x >= min_val && x <= max_val; });
    // min_val captured by value, max_val captured by reference

    // Capture all by value [=] or all by reference [&]
    auto print_all = [&]() {  // captures everything by reference
        for (int n : nums) std::cout << n << ' ';
        std::cout << '\n';
    };
    print_all();

    // Init capture (C++14) — create new variables in the capture
    auto counter = [count = 0]() mutable { return ++count; };
    std::cout << counter() << '\n';  // 1
    std::cout << counter() << '\n';  // 2
    std::cout << counter() << '\n';  // 3
}

Generické a šablonové lambdy

C++14 představil generické lambdy s parametryauto. C++20 to rozšířil o explicitní seznamy parametrů šablony, což umožňuje plný výkon šablony v lambdach.

generic_lambdas.cpp
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <string>
#include <iostream>
#include <type_traits>

int main() {
    // C++14: generic lambda — auto parameters
    auto print = [](const auto& x) {
        std::cout << x << '\n';
    };
    print(42);           // int
    print(3.14);         // double
    print("hello");      // const char*

    // C++14: generic lambda for comparisons
    auto max_of = [](const auto& a, const auto& b) {
        return (a > b) ? a : b;
    };
    std::cout << max_of(3, 7) << '\n';             // 7
    std::cout << max_of("abc", "xyz") << '\n';     // xyz (lexicographic)

    // C++20: template lambda — explicit template parameters
    auto add = []<typename T>(T a, T b) -> T {
        return a + b;
    };
    std::cout << add(1, 2) << '\n';                // 3
    std::cout << add(1.5, 2.5) << '\n';            // 4.0

    // C++20: constrained template lambda with concepts
    auto integral_only = []<std::integral T>(T x) {
        return x * 2;
    };
    std::cout << integral_only(5) << '\n';         // 10
    // integral_only(3.14);  // ERROR: double doesn't satisfy std::integral

    // Using generic lambdas with algorithms
    std::vector<std::string> words = {"banana", "apple", "cherry"};
    std::sort(words.begin(), words.end(),
              [](const auto& a, const auto& b) {
                  return a.size() < b.size();  // sort by length
              });
    for (const auto& w : words) std::cout << w << ' ';  // apple banana cherry
    std::cout << '\n';
}

std::function a std::invoke

std::functionje typově vymazaný callable wrapper, který může obsahovat jakýkoli callable s odpovídající signaturou – lambdy, ukazatele funkcí, funktory, ukazatele členských funkcí.std::invokeje jednotný způsob, jak volat jakékoli volatelné.

std_function.cpp
#include <functional>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

// Regular function
int add(int a, int b) { return a + b; }

struct Multiplier {
    int factor;
    int operator()(int x) const { return x * factor; }
    int multiply(int x) const { return x * factor; }
};

int main() {
    // std::function can hold different callable types
    std::function<int(int, int)> op;

    op = add;                                        // function pointer
    std::cout << op(3, 4) << '\n';                   // 7

    op = [](int a, int b) { return a * b; };         // lambda
    std::cout << op(3, 4) << '\n';                   // 12

    // Store callables in a collection
    std::vector<std::function<int(int)>> transforms;
    transforms.push_back([](int x) { return x + 1; });
    transforms.push_back([](int x) { return x * 2; });
    transforms.push_back(Multiplier{10});            // functor

    int val = 5;
    for (auto& fn : transforms) {
        val = fn(val);
    }
    std::cout << val << '\n';  // ((5+1)*2)*10 = 120

    // std::invoke — uniform call syntax for any callable
    Multiplier m{3};
    std::cout << std::invoke(add, 10, 20)       << '\n';  // 30
    std::cout << std::invoke(m, 7)              << '\n';  // 21
    std::cout << std::invoke(&Multiplier::multiply, m, 7) << '\n';  // 21
    std::cout << std::invoke(&Multiplier::factor, m)      << '\n';  // 3 (data member)
}

Vzor IIFE

IIFE (Immediately Invoked Function Expression) je vzor vypůjčený z JavaScriptu. Definujete lambdu a okamžitě ji voláte. To je užitečné pro komplexní inicializaci proměnnýchconst:

const auto config = [&]() {
    Config c;
    c.host = read_env("HOST");
    c.port = parse_int(read_env("PORT"));
    if (c.port <= 0) c.port = 8080;
    c.debug = is_debug_build();
    return c;
}();  // <-- note the () — invoked immediately

Without IIFE, you would either need a non-const variable (losing immutability guarantees) or a separate factory function. IIFE keeps the initialization logic local and the result const.

Úskalí

Zachycení odkazem je nebezpečné, když lambda přežije zachycenou proměnnou:

std::function<int()> make_counter() {
    int count = 0;
    return [&count]() { return ++count; };  // BUG: count is destroyed!
}

The returned lambda holds a reference to a local variable that no longer exists. This is undefined behavior. Fix it by capturing by value (with měnitelný if needed):

std::function<int()> make_counter() {
    int count = 0;
    return [count]() mutable { return ++count; };  // OK: owns a copy
}

Základní pravidlo: zachycení odkazem pro lambda s krátkou životností (algoritmické predikáty), zachycení podle hodnoty pro lambda s dlouhou životností (zpětná volání, uložená v datových strukturách).

Osvědčený postup

std::functionmá režii: přiděluje paměť (pro velké uzávěry), používá virtuální odesílání a zabraňuje vkládání. U predikátů algoritmu a dalších případů, kdy je volatelné použito okamžitě, předejte lambdu přímo – kompilátor ji může zcela vložit.

std::functionpoužívejte pouze tehdy, když potřebujete:
- Uložte volatelné položky pro pozdější použití
- Vymazání typu různé volatelné typy do jednotného kontejneru
- Předávejte volatelné položky přes hranice ABI

V šablonách použijteautonebo koncepty k přijetí volatelných položek bez vymazání typu:

template<std::invocable<int> F>
void apply(F&& fn, int value) {
    fn(value);  // no std::function overhead
}
Klíčové poznatky
  • Lambda jsou anonymní funkční objekty s nulovou režií – používejte je volně s algoritmy STL
  • Zachyťte hodnotou[x]pro bezpečnost s lambdami s dlouhou životností; zachycení pomocí reference[&x]pro ty s krátkou životností
  • Generické lambdy C++14 (parametryauto) a šablonové lambdy C++20 poskytují plný výkon generického programování
  • Typstd::functionmaže volatelné položky, ale má režii – pokud je to možné, preferujteautonebo šablony
  • Vzor IIFE[&]() { ... }()umožňuje komplexní inicializaci proměnnýchconst
  • Init capture ([x = expr]) umožňují vytvářet nové proměnné v uzávěrce (C++14)

Kvíz — Otestujte své znalosti

(15 XP)

1. Co dělá klíčové slovo`mutable`na lambda?

2. Jaké je nebezpečí zachycení lokální proměnné odkazem v lambda, která je vrácena z funkce?

3. Co`[count = 0]() mutable { return ++count; }`demonstruje?

Předchozí
Algoritmy STL: Síla <algoritmu>
Další
Rozsahy C++20: Nové paradigma