Что такое лямбда в программировании
Функциональное программирование на Python для самых маленьких — Часть 1 — Lambda Функция
Я решил написать эту серию статей, ибо считаю, что никто не должен сталкиваться с той стеной непонимания, с которой столкнулся когда-то я.
Ведь большинство статей написаны таки образом что, для того чтобы понять что-то в Функциональном Программировании (далее ФП), тебе надо уже знать многое в ФП. Эту статью я старался написать максимально просто — настолько понятно, чтобы её суть мог уловить мой племянник, школьник, который сейчас делает свои первые шаги в Python.
Небольшое введение
Для начала, давайте разберемся, что такое функциональное программирование, в чем его особенности, зачем оно было придумано, а также где и как его использовать. Стоп… А зачем? Об этом написаны тонны материалов, да и в этой статье судя по всему эта информация не особо нужна. Эта статья написана для того, чтобы читатели научились разбираться в коде, который написан в функциональном стиле. Но если вы все-таки хотите разобраться в истории Функционального Программирования и в том, как оно работает под капотом, то советую вам почитать о таких вещах, как
Чистая Функция — Функция которая является детерминированной и не обладает никакими побочными эффектами.
То есть чтобы функция являлась чистой она должна быть детерминированной — то есть каждый раз при одинаковом наборе аргументов выдавать одинаковый результат.
Пример детерминированной функции
И пример не детерминированной:
Каждый раз при смене дня недели (который не является аргументом функции) функция выдает разные результаты.
Самый очевидный пример не детерминированной функции это random:
Второе важное качество чистой функции это отсутствие побочных эффектов.
Функция sort_by_sort имеет побочные эффекты потому что изменяет исходный список элементов и выводит что то в консоль.
В отличии от предыдущего примера функция sort_by_sorted не меняет исходного массива и возвращает результат не выводя его в консоль самостоятельно.
Чистые функции хороши тем что:
Функции высшего порядка — в программировании функция, принимающая в качестве аргументов другие функции или возвращающая другую функцию в качестве результата.
С основами чуть чуть разобрались и теперь перейдем к следующему шагу.
Итак, начнем
Для начала надо понять следующее — что такое Функциональное Программирование вообще. Лично я знаю две самые часто упоминаемые парадигмы в повседневном программировании — это ООП и ФП.
Если упрощать совсем и объяснять на пальцах, то описать эти две парадигмы можно следующим образом:
Это относится и к ФП — взял какие-то данные, взял какую-то функцию, поигрался с ними и выдал что-то на выходе.
Не стану расписывать всё, иначе это будет оооочень долго. Цель данной статьи — помочь разобраться, а не объяснить, как и что работает, поэтому тут мы рассмотрим основные функции из ФП.
В большинстве своем ФП (как я его воспринимаю) — это просто упрощенное написание кода. Любой код, написанный в функциональном стиле, может быть довольно легко переписан в обычном стиле без потери качества, но более примитивно. Цель ФП заключается в том, чтобы писать код более простой, понятный и который легче поддерживать, а также который занимает меньше памяти, ну и куда же без этого — разумеется, главная вечная мораль программирования — DRY (Don’t Repeat Yourself — Не повторяйся).
Сейчас мы с вами разберем одну из основных функций, которая применяется в ФП — Lambda функцию.
В следующих статьях мы разберем такие функции как Map, Zip, Filter и Reduce.
Lambda функция
Lambda — это инструмент в python и других языках программирования для вызова анонимных функций. Многим это скорее всего ничего не скажет и никак не прояснит того, как она работает, поэтому я расскажу вам просто механизм работы lambda выражений.
Рассмотрим пример. Например, нам надо написать функцию которая бы считала площадь круга при известном радиусе.
Формула площади круга это
где
S — это площадь круга
pi — математическая константа равная 3.14 которую мы получим из стандартной библиотеки Math
r — радиус круга — единственная переменная которую мы будем передавать нашей функции
Теперь оформим это все в python:
Вроде бы неплохо, но это всё может выглядеть куда круче, если записывать это через lambda:
Чтобы было понятнее, анонимный вызов функции подразумевает то, что вы используете её, нигде не объявляя, как в примере выше.
Лямбда функция работает по следующему принципу
Рассмотрим пример с двумя входными аргументами. Например, нам надо посчитать объем конуса по следующей формуле:
Запишем это все в python:
А теперь как это будет выглядеть в lambda форме:
Количество переменных здесь никак не ограничено. Для примера посчитаем объем усеченного конуса, где у нас учитываются 3 разные переменные.
Объем усеченного конуса считается по формуле:
И вот, как это будет выглядеть в python классически:
А теперь покажем, как это будет выглядеть с lambda:
После того, как мы разобрались, как работает lambda функция, давайте разберем ещё кое-что интересное, что можно делать с помощью lambda функции, что может оказаться для вас весьма неожиданным — Сортировку.
Сортировать одномерные списки в python с помощью lambda довольно глупо — это будет выглядеть, как бряцание мускулами там, где оно совсем не нужно.
Ну серьезно допустим, у нас есть обычный список (не важно состоящий из строк или чисел) и нам надо его отсортировать — тут же проще всего использовать встроенную функцию sorted(). И в правду, давайте посмотрим на это.
В таких ситуациях, действительно, хватает обычного sorted() (ну или sort(), если вам нужно изменить текущий список на месте без создания нового, изменив исходный).
Но что, если нужно отсортировать список словарей по разным ключам? Тут может быть запись как в классическом стиле, так и в функциональном. Допустим, у нас есть список книг вселенной Песни Льда и Пламени с датами их публикаций и количеством страниц в них.
Как всегда, начнем с классической записи.
А теперь перепишем это все через lambda функцию:
Таким образом, lambda функция хорошо подходит для сортировки многомерных списков по разным параметрам.
Если вы повторите весь этот код самостоятельно, написав его сами, то я уверен, что с этого момента вы сможете сказать, что отныне вы понимаете, как работают lambda выражения, и сможете применять их в работе.
Но где же тут та самая экономия места, времени и памяти? Экономится максимум пара строк.
И вот тут мы подходим к реально интересным вещам.
Которые разберем в следующей статье, где мы обсудим map функцию.
UPD: По многочисленным просьбам, расставил знаки препинания.
Объяснение лямбда-выражений
У меня возникли вопросы о лямбда-выражениях и RxJava. Эти вопросы в основном касаются не полного понимания лямбда-выражений или RxJava. Я попытаюсь объяснить лямбда-выражения как можно проще. RxJava я опишу отдельно.
Лямбда-выражения и RxJava
Что такое лямбда-выражения? Лямбда-выражения – это «всего лишь» новый способ сделать то же самое, что мы всегда могли сделать, но в более чистом и менее многословном новом способе использования анонимных внутренних классов.
Анонимный внутренний класс в Java – это класс без имени, он должен использоваться, если вам необходимо переопределить методы класса или интерфейса. Анонимный внутренний класс может быть создан из класса или интерфейса.
В Android мы обычно используем анонимный внутренний класс в качестве слушателя, например, для кнопок такого рода:
Вернемся к лямбда-выражениям. Это следующая часть, которая является частью предыдущего кода, который считается анонимным внутренним классом.
Лямбда-выражения могут использоваться только в том случае, если вам нужно переопределить не более одного метода. К счастью для нас, View.OnClickListener содержит только один. Посмотрите на код ниже. Как думаете, какую его часть нам придётся убрать?
В некоторых случаях вам может потребоваться добавить тип к параметру, если компилятору не удается его угадать, вы можете сделать это, добавив его перед параметром:
Вы также можете использовать многострочный код:
Если у вас есть интерфейс с методом, принимающим два параметра…
…лямбда-выражение будет выглядеть следующим образом:
Если метод имеет возвращаемый тип…
…лямбда-выражение будет выглядеть следующим образом:
Но это еще не все, есть некоторые специальные случаи, которые делают код еще меньше. Если тело вашего метода содержит только одну строку кода, вы можете удалить фигурные скобки <>. Если вы удаляете фигурные скобки, вам также необходимо удалить точку с запятой, оставив следующее:
Есть еще одна вещь, которую мы можем сделать. Если у нас только одна строка кода, то компилятор может понять, нужна ли возвращаемая часть или нет, поэтому мы можем оставить ее следующим образом:
Если бы у нас был многострочный код, это свелось бы к следующему:
Так что же мы сделали? Мы взяли это:
и превратили вот в это:
Осталось только одна вещь, ссылки на методы. Допустим, у нас есть интерфейс, как и раньше, и метод, который этот интерфейс принимает как параметр:
Без лямбда-выражения это выглядело бы так:
Добавив лямбда-выражение, как мы это делали раньше, получим следующее:
Но это еще не все. Если используемый код – однострочный и вызываемая функция принимает один параметр, мы можем передавать ссылку на метод в таком виде:
Параметр будет передаваться автоматически, без необходимости использования другого кода! Удивительно, правда? Надеюсь, вы узнали что-то новое!
Лямбда-выражения в C++
В C++ 11 и более поздних версиях лямбда-выражение, часто называемое лямбда– — это удобный способ определения объекта анонимной функции ( замыкания) непосредственно в расположении, где оно вызывается или передается в качестве аргумента функции. Обычно лямбда-выражения используются для инкапсуляции нескольких строк кода, передаваемых алгоритмам или асинхронным функциям. В этой статье определяются лямбда-выражения и их сравнение с другими методами программирования. Он описывает их преимущества и предоставляет некоторые основные примеры.
Связанные статьи
Части лямбда-выражения
В стандарте ISO C++ демонстрируется простое лямбда-выражение, передаваемое функции std::sort() в качестве третьего аргумента:
На следующем рисунке показана структура лямбда-выражения:
предложение Capture (также известное как оператор лямбда-выражения в спецификации C++).
список параметров Используемых. (Также называется лямбда-объявлением)
изменяемая спецификация Используемых.
Спецификация Exception Используемых.
замыкающий-возвращаемый тип Используемых.
Предложение Capture
Лямбда-выражение может добавлять новые переменные в тексте (в C++ 14), а также получать доступ к переменным из окружающей области или записыватьих. Лямбда-выражение начинается с предложения Capture. Он указывает, какие переменные фиксируются, а также указывает, является ли запись по значению или по ссылке. Доступ к переменным с префиксом амперсанда ( & ) осуществляется по ссылке и к переменным, к которым нет доступа по значению.
Пустое предложение фиксации ( [ ] ) показывает, что тело лямбда-выражения не осуществляет доступ к переменным во внешней области видимости.
Можно использовать режим захвата по умолчанию, чтобы указать, как фиксировать все внешние переменные, упоминаемые в теле лямбда-выражения: означает, что [&] все переменные, на которые вы ссылаетесь, захватываются по ссылке, а [=] значит, они записываются по значению. Можно сначала использовать режим фиксации по умолчанию, а затем применить для определенных переменных другой режим. Например, если тело лямбда-выражения осуществляет доступ к внешней переменной total по ссылке, а к внешней переменной factor по значению, следующие предложения фиксации эквивалентны:
При использовании записи по умолчанию фиксируются только те переменные, которые упоминаются в теле лямбда-выражения.
Захват, за которым следует многоточие, — это расширение пакета, как показано в следующем примере шаблона Variadic :
Чтобы использовать лямбда-выражения в теле функции члена класса, передайте this указатель в предложение Capture, чтобы предоставить доступ к функциям и членам данных включающего класса.
Visual Studio 2017 версии 15,3 и более поздних версий (доступно в режиме и более поздних версиях): this указатель может быть записан по значению путем указания *this в предложении capture. Захват по значению копирует весь замыкание на каждый узел вызова, где вызывается лямбда-выражение. (Замыканием является объект анонимной функции, инкапсулирующий лямбда-выражение.) Захват по значению полезен, когда лямбда выполняется в параллельных или асинхронных операциях. Это особенно полезно на некоторых аппаратных архитектурах, таких как NUMA.
Пример, демонстрирующий использование лямбда-выражений с функциями членов класса, см. в разделе «пример: использование лямбда-выражения в методе» в примерах лямбда-выражений.
При использовании предложения Capture рекомендуется учитывать такие моменты, особенно при использовании лямбда-выражений с многопоточностью:
Захваты ссылок можно использовать для изменения переменных вне, но захваты значений не могут. ( mutable позволяет изменять копии, но не оригиналы.)
Захват ссылок отражает обновления переменных вне, но не фиксирует значения.
Фиксация ссылки вводит зависимость от времени существования, тогда как фиксация значения не обладает зависимостями от времени существования. Это особенно важно при асинхронном выполнении лямбда-выражения. Если вы захватываете локальную по ссылке в асинхронном лямбда-выражении, это локально может быть легко пропала в момент выполнения лямбда-выражения. Код может вызвать нарушение прав доступа во время выполнения.
Обобщенная фиксация (C++14)
В C++14 вы можете объявлять и инициализировать новые переменные в предложении фиксации. Для этого не требуется, чтобы эти переменные существовали во внешней области видимости лямбда-функции. Инициализация может быть выражена в качестве любого произвольного выражения. Тип новой переменной определяется типом, который создается выражением. Эта функция позволяет собирать переменные только для перемещения (например, std::unique_ptr ) из окружающей области и использовать их в лямбда-выражении.
Список параметров
Лямбда-выражения могут записывать переменные и принимать входные параметры. Список параметров (лямбда-декларатор в стандартном синтаксисе) является необязательным и в большинстве аспектов напоминает список параметров для функции.
В C++ 14, если тип параметра является универсальным, можно использовать ключевое слово в качестве спецификатора типа. Это ключевое слово указывает компилятору создать оператор вызова функции в качестве шаблона. Каждый экземпляр auto в списке параметров эквивалентен отдельному параметру типа.
Лямбда-выражение может принимать другое лямбда-выражение в качестве своего аргумента. Дополнительные сведения см. в разделе «Лямбда-выражения более высокого порядка» в статье Примеры лямбда-выражений.
Изменяемая спецификация
Спецификация исключений
Дополнительные сведения см. в разделе спецификации исключений (throw).
Возвращаемый тип
Лямбда-выражение может создавать другое лямбда-выражение в качестве своего возвращаемого значения. Дополнительные сведения см. в разделе «лямбда-выражения более высокого порядка» в примерах лямбда-выражений.
Тело лямбды
Тело лямбда-выражения является составным оператором. Он может содержать все, что разрешено в теле обычной функции или функции-члена. Тело обычной функции и лямбда-выражения может осуществлять доступ к следующим типам переменных:
Фиксированные переменные из внешней области видимости (см. выше).
Локально объявленные переменные.
Члены данных класса, объявленные внутри класса и this захваченные.
Любая переменная, имеющая статическую длительность хранения, например глобальные переменные.
В следующем примере содержится лямбда-выражение, которое явно фиксирует переменную n по значению и неявно фиксирует переменную m по ссылке.
Дополнительные сведения см. в разделе Generate.
Дополнительные сведения см. в разделе generate_n.
constexpr лямбда-выражения
Visual Studio 2017 версии 15,3 и более поздних версий (доступно в режиме и более поздних версиях): лямбда-выражение можно объявить как constexpr (или использовать его в константном выражении), если инициализация каждого захваченного или введенного элемента данных разрешена в константном выражении.
Лямбда-выражение неявно, constexpr если его результат удовлетворяет требованиям constexpr функции:
Специально для систем Майкрософт
Visual Studio поддерживает стандартную лямбда-функцию c++ 11 и лямбда-выражения без отслеживания состояния. Лямбда без отслеживания состояния преобразуется в указатель функции, который использует произвольное соглашение о вызовах.
Лямбды: от C++11 до C++20. Часть 1
Добрый день, друзья. Сегодня мы подготовили для вас перевод первой части статьи «Лямбды: от C++11 до C++20». Публикация данного материала приурочена к запуску курса «Разработчик C++», который стартует уже завтра.
Лямбда-выражения являются одним из наиболее мощных дополнений в C++11 и продолжают развиваться с каждым новым стандартом языка. В этой статье мы пройдемся по их истории и посмотрим на эволюцию этой важной части современного C++.
На одном из местных собраний C++ User Group у нас был живой сеанс программирования по «истории» лямбда-выражений. Беседу вел эксперт по С++ Томас Каминский (Tomasz Kamiński) (см. профиль Томаса в Linkedin). Вот это событие:
Я решил взять код у Томаса (с его разрешения!), описать его и создать отдельную статью.
Мы начнем с изучения C++03 и с необходимости в компактных локальных функциональных выражениях. Затем мы перейдем к C++11 и C++14. Во второй части серии мы увидим изменения в C++17 и даже взглянем на то, что произойдет в C++ 20.
Но проблема заключалась в том, что вы должны были написать отдельную функцию или функтор в другой области видимости, а не в области видимости вызова алгоритма.
В качестве потенциального решения вы могли бы подумать о написании локального класса функторов — поскольку C++ всегда поддерживает этот синтаксис. Но это не работает…
Посмотрите на этот код:
По сути, в C++98/03 вы не можете создать экземпляр шаблона с локальным типом.
Из-за всех этих ограничений Комитет начал разрабатывать новую фичу, которую мы можем создавать и вызывать «на месте»… «лямбда-выражения»!
Если мы посмотрим на N3337 — окончательный вариант C++11, то увидим отдельный раздел для лямбд: [expr.prim.lambda].
Я думаю, что лямбды были добавлены в язык с умом. Они используют новый синтаксис, но затем компилятор «расширяет» его до реального класса. Таким образом, у нас есть все преимущества (а иногда и недостатки) реального строго типизированного языка.
Вот базовый пример кода, который также показывает соответствующий объект локального функтора:
Вы также можете проверить CppInsights, который показывает, как компилятор расширяет код:
Посмотрите на этот пример:
В этом примере компилятор преобразует:
Во что-то похожее на это (упрощенная форма):
Некоторые определения, прежде чем мы начнем:
Вычисление лямбда-выражения приводит к временному prvalue. Этот временный объект называется объектом-замыканием (closure object).
Тип лямбда-выражения (который также является типом объекта-замыкания) является уникальным безымянным non-union типом класса, который называется типом замыкания (closure type).
Несколько примеров лямбда-выражений:
Поскольку компилятор генерирует уникальное имя для каждой лямбды, узнать его заранее не представляется возможным.
Более того [expr.prim.lambda]:
Тип замыкания, связанный с лямбда-выражением, имеет удаленный ([dcl.fct.def.delete]) конструктор по умолчанию и удаленный оператор присваивания.
Поэтому вы не можете написать:
Это приведет к следующей ошибке в GCC:
Код, который вы помещаете в тело лямбды, «транслируется» в код operator() соответствующего типа замыкания.
По умолчанию это встроенный константный метод. Вы можете изменить его, указав mutable после объявления параметров:
Хотя константный метод не является «проблемой» для лямбды без пустого списка захвата… он имеет значение, когда вы хотите что-то захватить.
[] не только вводит лямбду, но также содержит список захваченных переменных. Это называется «список захвата».
Захватив переменную, вы создаете член-копию этой переменной в типе замыкания. Затем внутри тела лямбды вы можете получить к нему доступ.
Вы можете поиграться с полным примером здесь: @Wandbox
Хотя указание [=] или [&] может быть удобно — поскольку оно захватывает все переменные в автоматическом хранилище, более очевидно захватывать переменные явно. Таким образом, компилятор может предупредить вас о нежелательных эффектах (см., например, примечания о глобальных и статических переменных)
Вы также можете прочитать больше в пункте 31 «Эффективного современного C++» Скотта Мейерса: «Избегайте режимов захвата по умолчанию».
Замыкания С++ не увеличивают время жизни захваченных ссылок.
По умолчанию operator() типа замыкания является константным, и вы не можете изменять захваченные переменные внутри тела лямбда-выражения.
Если вы хотите изменить это поведение, вам нужно добавить ключевое слово mutable после списка параметров:
В приведенном выше примере мы можем изменить значения x и y… но это только копии x и y из прилагаемой области видимости.
Захват глобальных переменных
Если у вас есть глобальное значение, а затем вы используете [=] в лямбде, вы можете подумать, что глобальное значение также захвачено по значению… но это не так.
Поиграть с кодом можно здесь: @Wandbox
Захватываются только переменные в автоматическом хранилище. GCC может даже выдать следующее предупреждение:
Захват статических переменных
Захват статических переменных аналогичен захвату глобальных:
Поиграть с кодом можно здесь: @Wandbox
Захват члена класса
Знаете ли вы, что произойдет после выполнения следующего кода:
Поскольку мы используем временные объекты, мы не можем быть уверены, что произойдет, при вызове f1 и f2. Это проблема висячих ссылок, которая порождает неопределенное поведение.
Опять же, если вы укажете захват явно ([s]):
Компилятор предотвратит вашу ошибку:
Если у вас есть объект, который может быть только перемещен (например, unique_ptr), то вы не можете поместить его в лямбду в качестве захваченной переменной. Захват по значению не работает, поэтому вы можете захватывать только по ссылке… однако это не передаст его вам во владение, и, вероятно, это не то, что вы хотели.
Если вы захватываете константную переменную, то константность сохраняется:
В C++11 вы можете пропустить trailing возвращаемый тип лямбды, и тогда компилятор выведет его за вас.
Первоначально вывод возвращаемого типа значения был ограничен лямбдами, содержащими один оператор return, но это ограничение было быстро снято, поскольку не было проблем с реализацией более удобной версии.
Таким образом, начиная с C++11, компилятор может вывести тип возвращаемого значения, если все операторы return могут быть преобразованы в один и тот же тип.
Если все операторы return возвращают выражение и типы возвращаемых выражений после преобразования lvalue-to-rvalue (7.1 [conv.lval]), array-to-pointer (7.2 [conv.array]) и function-to-pointer (7.3 [conv.func]) такое же, как у общего типа;
Поиграться с кодом можно здесь: @Wandbox
IIFE — Немедленно вызываемые выражения (Immediately Invoked Function Expression)
В наших примерах я определял лямбду, а затем вызвал ее, используя объект замыкания… но ее также можно вызывать немедленно:
Такое выражение может быть полезно при сложной инициализации константных объектов.
Преобразование в указатель на функцию
Тип замыкания для лямбда-выражения без захвата имеет открытую невиртуальную неявную функцию преобразования константы в указатель на функцию, имеющую тот же параметр и возвращаемые типы, что и оператор вызова функции типа замыкания. Значение, возвращаемое этой функцией преобразования, должно быть адресом функции, которая при вызове имеет тот же эффект, что и вызов оператора функции типа сходного с типом замыкания.
Другими словами, вы можете преобразовывать лямбды без захватов в указатель на функцию.
Поиграться с кодом можно здесь: @Wandbox
C++14 добавил два значительных улучшения в лямбда-выражения:
Вывод типа возвращаемого значения лямбда-выражения был обновлен, чтобы соответствовать правилам автоматического вывода для функций.
Возвращаемый тип лямбды — auto, который заменяется trailing возвращаемым типом, если он предоставляется и/или выводится из операторов возврата, как описано в [dcl.spec.auto].
Захваты с инициализатором
Короче говоря, мы можем создать новую переменную-член типа замыкания и затем использовать ее внутри лямбда-выражения.
Это может решить несколько проблем, например, с типами, доступными только для перемещения.
Теперь мы можем переместить объект в член типа замыкания:
Другая идея состоит в том, чтобы использовать его как потенциальную технику оптимизации. Вместо того, чтобы вычислять какое-то значение каждый раз, когда мы вызываем лямбду, мы можем вычислить его один раз в инициализаторе:
Инициализатор также можно использовать для захвата переменной-члена. Затем мы можем получить копию переменной-члена и не беспокоиться о висячих ссылках.
Поиграться с кодом можно здесь: @Wandbox
В foo() мы захватываем переменную-член, копируя ее в тип замыкания. Кроме того, мы используем auto для вывода всего метода (ранее, в C++11 мы могли использовать std::function ).
Еще одно существенное улучшение — это обобщенная лямбда.
Начиная с C++14 можно написать:
Это эквивалентно использованию объявления шаблона в операторе вызова типа замыкания:
Такая обобщенная лямбда может быть очень полезна, когда трудно вывести тип.
Вы можете поиграться кодом здесь: @Wandbox
В этой статье мы начали с первых дней лямбда-выражений в C++03 и C++11 и перешли к улучшенной версии в C++14.
Вы увидели, как создавать лямбду, какова основная структура этого выражения, что такое список захвата и многое другое.
В следующей части статьи мы перейдем к C++17 и познакомимся с будущими фичами C++20.
Вторая часть доступна здесь:
Ждем ваши комментарии и приглашаем всех заинтересованных на курс «Разработчик С++».