從C++看一級函式

現代潮語言愛談一級函式，然而，對於C++來說，傳遞函式並不是什麼新鮮事，端視我們傳遞函式的目的是為了什麼，因此，函式指標、函子（Functor）、lambda運算式，都可以是選擇之一。

函式指標與函子

關於函式可以傳遞的概念，已存在不少現代語言之中，然而，應該是JavaScript令許多開發者都知道了這件事。

記得過去有幾次看過C/C++開發者，以略帶不屑的口氣說到：「啊！這不就是函式指標？！」單就這句話來看，可以說對，也可以說不對。

說對的原因是：C++中若以函式名稱作為指定來源時，我們可以求得位址設置給函式指標，透過函式指標也可以呼叫函式，因此，傳遞函式不是什麼新鮮事。

就算是類別函式成員，也都可以傳遞，只不過函數指標的型態，往往難以閱讀或撰寫，開發者經常要停下來搜尋查閱語法，才能寫得正確。幸而到了C++ 11以後，我們可以使用auto、decltype，或者是function模版來減輕這類負擔。

而說不對的原因是：只談函式指標，不足以涵蓋JavaScript這類語言中談到的一級函式功能。

例如，外部變數的捕捉，想達到這類功能，我們可以定義函子，或稱為函式物件（function object），開發者能自定類別定義呼叫運算子「()」，實作內容為任務的函式流程，至於想捕捉的變數，我們可以在建構函子實例時指定，而當下要捕捉變數本身或是值，就看建構式接受的參數是採傳參，或是傳值。

從技術上來說，函子不等於C++函式，然而對C++來說，「函式」的概念有進一步的擴充。從比較簡化的說法來說，可以透過()調用並傳送引數的對象，都可視為Callable的實例，C++函式是其中之一，函子也是。

函子實例就是個自定類別的實例，既然如此，就有了附加的價值，可以令函式帶有狀態，也可以攜帶方法。就像JavaScript中的Function實例，可以取得參數長度，也可以有call、apply等方法。

lambda運算式

如果要臨時建立一個函式呢？我們是可以臨時定義一個匿名的類別並用來建立實例，然而可讀性不佳。不過，C++ 11以後提供了lambda運算式，大幅增加了可讀性，想想看，你會想寫auto ascending = [](int n1, int n2) { return n2 - n1; }，還是如下使用函子？

struct {
int operator() (int n1, int n2) {
return n2 - n1;
}
} ascending;

就技術而言，lambda運算式並不等於C++函式，很大程度是函子的語法糖，它會建立匿名類別（稱為closure type）並用來建構實例，因為無法取得匿名類別的名稱，也就無法宣告其型態，而必須透過auto來自動推斷，或者透過function模版來宣告參數與傳回型態。

如果lambda運算式被指定給函式指標，那麼，lambda運算式會退化為函式位址，因此，既有的函式若參數定義為函式指標型態，也可以接受lambda運算式。

若與其他語言中的一級函式相比，lambda運算式必須帶有捕捉列[]，而顯得與眾不同。空白的[]，表示lambda不得捕捉任何外部變數，然而可以在捕捉列中指明哪些變數可以捕捉，而且，該捕捉變數本身，或者是變數的值，開發者都可以自行決定。

如此一來，雖然會令lambda運算式變得冗長一些，卻可以令變數捕捉這件事，不若其他語言中那麼神祕難解。

單看功能而論，lambda運算式能夠做到的，函子幾乎都能做到；然而，lambda運算式可以是匿名的，也可以在建立匿名的lambda運算式後，直接進行呼叫，也就是可建立所謂的IIFE（Immediately Invoked Functions Expression）。

當然，函子也能做到lambda運算式無法達成的一些功能，例如，攜帶額外的狀態或方法等。

高階函式

現今有許多開發者將C++ 11以後，視為現代C++（Modern C++），而令其具有現代感的元素之一，就是lambda運算式。已經在其他程式語言中熟悉一級函式特性的開發者，此時，可能會想到高階函式這類設計，也就是，函式可以設計為接受函式並傳回函式。

不過，如果在C++中，使用lambda運算式實現高階函式，可要留意了！

我們可以將lambda運算式從函式中傳回，然而在函式中建立的lambda運算式，其生命週期就是區域性、暫時性，亦即在函式執行後就沒了，因此傳回型態必須是傳值，不能是傳參。

若我們試圖以傳參方式傳回lambda運算式，編譯器會提出警訊，像是：參考了區域變數（傳回型態為lvalue參考時），或是傳回了暫時性參考（傳回型態為rvalue參考時）。

另一方面，lambda運算式不會擴展變數的生命週期，如果在捕捉列指定以參考方式捕捉外部變數，從函式傳回lambda運算式後，被捕捉的變數生命週期已經結束，此時，如果變數的位址已經變得無效了，lambda運算式所捕捉的參考，就會形成懸空參考（Dangling references），也就是參考了不合法的位址。

關於捕捉後的變數是否懸空這件事，有時不是那麼顯而易見，例如，lambda運算式可以形成遞迴：

function<int(int)> factorial = [&](int n) -> int {
return n == 0 ? 1 : n * factorial(n-1);
};

若想在函式中以factorial(10)呼叫是沒有問題，然而，如果將factorial從函式中傳回然後再呼叫，此時，因為factorial是區域變數，捕捉到的factorial已經懸空，因而會造成函式呼叫錯誤。

而談到擴展變數生命週期這件事，視需求而定，我們可以有不同的解法。例如，lambda運算式形成遞迴後，若又想從函式傳回，我們可以將之包裹在另一個lambda運算式後傳回（參考https://bit.ly/39OE8AY）。

傳遞函式的目的是？

現代不少程式語言強調其具有一級函式，真正的目的是能以函式的粒度來思考，也就是，可以用一個函式，而不是用一組函式（物件攜帶一組方法）的粒度來思考。單就這點而言，函式指標是可以解決問題。

然而，傳遞函式還會涉及如何捕捉變數、可否臨時創建函式，或者匿名函式、捕捉的變數生命週期，以及程式碼撰寫、維護是否方便等問題。基於這種種不同的考量，將會決定當時應該使用函子，或lambda運算式。

因此，傳遞函式這件事在C++中，看似囉嗦許多，實際上，開發者在傳遞函式時就該考量這些因素，並且搞清楚不同語言在這些因素上，有哪些必須注意的地方，如此才能在適當的需求上，採用適當的函式傳遞方式。