C++

Lambda e programmazione funzionale

Padroneggia le lambda in C++ — liste di cattura, lambda mutabili, lambda generiche e il loro uso come predicati per gli algoritmi. Scopri std::function, std::invoke e il pattern IIFE.

Espressioni lambda

Un'espressione lambda crea un oggetto funzione anonimo (closure) inline. Le lambda sono il modo principale per passare comportamento agli algoritmi STL, callback e gestori di eventi.

La sintassi completa è:

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

- Captures — variabili dallo scope racchiudente da usare nella lambda
- Parameters — come i parametri delle funzioni normali
- mutable — permette di modificare le variabili catturate per valore
- Tipo di ritorno — di solito dedotto automaticamente
- Body — il corpo della funzione

Le lambda vengono compilate in oggetti funzione generati dal compilatore (struct con operator()) — hanno zero overhead rispetto ai funtori scritti a mano.

Sintassi base delle lambda e catture

La lista di cattura è la caratteristica distintiva delle lambda. Determina quali variabili dello scope racchiudente la lambda può accedere e come.

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
}

Lambda generiche e template

C++14 ha introdotto le lambda generiche con parametri auto. C++20 le ha estese con liste esplicite di parametri template, permettendo tutta la potenza dei template nelle lambda.

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 e std::invoke

std::function è un wrapper callable con cancellazione del tipo che può contenere qualsiasi callable con una firma corrispondente — lambda, puntatori a funzione, funtori, puntatori a funzioni membro. std::invoke è un modo uniforme per chiamare qualsiasi callable.

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)
}

Il pattern IIFE

IIFE (Immediately Invoked Function Expression) è un pattern preso in prestito da JavaScript. Definisci una lambda e la chiami immediatamente. Questo è utile per l'inizializzazione complessa di variabili const:

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;
}();  // <-- nota il () — invocato immediatamente

Senza IIFE, dovresti avere una variabile non-const (perdendo le garanzie di immutabilità) o una funzione factory separata. IIFE mantiene la logica di inizializzazione locale e il risultato const.

Insidia

Catturare per riferimento è pericoloso quando la lambda sopravvive alla variabile catturata:

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

La lambda restituita contiene un riferimento a una variabile locale che non esiste più. Questo è comportamento indefinito. Risolvilo catturando per valore (con mutable se necessario):

std::function<int()> make_counter() {
    int count = 0;
    return [count]() mutable { return ++count; };  // OK: possiede una copia
}

Regola generale: cattura per riferimento per lambda di breve durata (predicati degli algoritmi), cattura per valore per lambda di lunga durata (callback, memorizzate in strutture dati).

Buona pratica

std::function ha un overhead: alloca memoria (per closure di grandi dimensioni), usa il dispatch virtuale e impedisce l'inlining. Per i predicati degli algoritmi e altri casi in cui il callable viene usato immediatamente, passa la lambda direttamente — il compilatore può fare l'inline completamente.

Usa std::function solo quando devi:
- Memorizzare callable per un uso successivo
- Cancellare il tipo di diversi tipi callable in un contenitore uniforme
- Passare callable attraverso confini ABI

Nei template, usa auto o concept per accettare callable senza cancellazione del tipo:

template<std::invocable<int> F>
void apply(F&& fn, int value) {
    fn(value);  // nessun overhead di std::function
}
Concetti chiave
  • Le lambda sono oggetti funzione anonimi a zero overhead — usale liberamente con gli algoritmi STL
  • Cattura per valore [x] per sicurezza con lambda di lunga durata; cattura per riferimento [&x] per quelle di breve durata
  • Le lambda generiche C++14 (parametri auto) e le lambda template C++20 danno piena potenza di programmazione generica
  • std::function cancella il tipo dei callable ma ha overhead — preferisci auto o template quando possibile
  • Il pattern IIFE [&]() { ... }() permette l'inizializzazione complessa di variabili const
  • Le catture init ([x = expr]) permettono di creare nuove variabili nella closure (C++14)

Quiz — Metti alla prova le tue conoscenze

(15 XP)

1. Cosa fa la parola chiave `mutable` su una lambda?

2. Qual è il pericolo di catturare una variabile locale per riferimento in una lambda restituita da una funzione?

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

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