五、Lambda表达式

原创于 2025-02-11 15:11:56 发布 · 679 阅读

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Lambda表达式是一种用于定义匿名函数对象的便捷语法，自C++11引入后极大简化了代码编写，尤其是在需要传递短小函数逻辑的场景（如STL算法、回调函数等）

基本语法

[捕获列表] (参数列表) -> 返回类型 
{ 
    函数体 
}

//eg
aotu add = [](int a, int b) -> int 
{
	return a + b;
}

cout << add(3, 4) << endl;

捕获列表（Capture List）

定义了Lambda表达式可以访问的外部变量及其访问方式（值捕获或引用捕获）

[]：不捕获任何外部变量
[x]：按值捕获变量x
[&x]：按引用捕获变量x
[=]：按值捕获所有外部作用域的变量
[&]：按引用捕获所有外部作用域的变量
[=, &x]：按值捕获所有外部变量，但是按引用捕获变量x
[&, x]：按引用捕获所有外部变量，但是按值捕获变量x
[this]：捕获Lambda表达式所在的成员函数所属对象的指针

参数列表（parameters）

与普通函数的参数列表相同

可以为空

返回类型（return_type）

在大多数情况下，返回类型可以被省略，编译器会根据函数体中的返回语句自动推断返回类型

函数体（function body）

包含了Lambda函数的实现；
除了可以使用参数之外，还可以使用捕获变量

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, const char *argv[])
{
    //不捕获任何外部变量[]
    auto printHello = []()
    {
        cout << "[]--->" << "hello world" << endl;
    };
    printHello();//"hello world"

    //按值捕获[x]
    int x = 10;
    auto add = [x](int a)
    {
        return a + x;
    };
    cout << "[x]-->" << add(5) << endl;//15

    //按引用捕获[&x]
    x = 10;
    auto setX = [&x]()
    {
        x = 20;
    };
    setX();
    cout << "[&x]-->" << x << endl;//20
  
    //按值捕获所有外部变量[=]
    x = 10;
    int y = 20;
    auto sum = [=]()
    {
        return x + y;
    };
    cout << "[=]-->" << sum() << endl;//30

    //按引用捕获所有外部变量[&]
    x = 10;
    y = 20;
    auto setXY = [&]()
    {
        x = 100;
        y = 200;
    };
    setXY();
    cout << "[&]-->" << x << " " << y << endl;//100 200

    //按值捕获所有外部变量，但按引用捕获特定的变量[=, &x]
    x = 10;
    y = 20;
    auto setXAndSum = [=, &x]()
    {
        x *= 2;
        return x + y;
    };
    cout << "[=, &x]-->" << setXAndSum() << " " << "x = " << x << endl;//40 20

    //按引用捕获所有外部变量，但按值捕获特定的变量[&, x]
    x = 10;
    y = 20;
    auto setYAndSum = [&, x]()
    {
        y *= 2;
        return x + y;
    };
    cout << "[&, x]-->" << setYAndSum() << " " << "y = " << y << endl;//50 40

    return 0;
}

注意事项

如果使用值捕获，lambda表达式的一个特性：捕获的变量默认为常量，或者说lambda是一个常量函数

需要在函数体中修改变量值，需要加上说明符mutable，还多了一对()
语法规定lambda表达式如果存在说明符，那么形参列表不能省略

mutable说明符是为了突破const的限制而设置的

被mutable修饰的变量，将永远处于可变的状态，即使在一个const函数中
```
#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, const char *argv[])
{
    //按值捕获[x]
    int x = 10;
    auto add = [x] (int a) mutable
    {
        x = 100;
        return a + x;
    };
    cout << "[x]-->" << add(5) << endl;//105

    return 0;
}
```
Lambda表达式默认是const的，即它们不能修改捕获的变量的值，除非你明确指定捕获的变量为非const
使用Lambda表达式时，应注意其生命周期，特别是当按引用捕获外部变量时，必须确保被引用的变量在Lambda被调用时仍然有效

避免捕获局部变量的引用后超出其作用域（悬垂引用）

按值捕获的变量在Lambda创建时拷贝，后续外部变量修改不影响Lambda内的副本
性能优化：Lambda通常被编译器内联，性能接近手写代码；

避免在频繁调用的路径中捕获大型对象（按值捕获可能带来拷贝开销）
与std::function关系

Lambda可隐式转换为 std::function，但可能引入类型擦除开销

直接使用auto存储lambda可保留类型信息，效率更高

底层实现

Lambda表达式是通过生成一个匿名类（或称为闭包类型）的实例来实现的
这个匿名类内部重载了函数调用操作符operator() ，使得这个类的实例可以像函数一样被调用
每当定义一个Lambda表达式时，编译器会根据Lambda表达式的定义自动生成这样一个匿名类，并实例化一个该匿名类的对象

这个过程完全在编译时完成，不会导致运行时开销

// Lambda表达式
auto lambda = [x](int a) { return x + a; };

// 编译器生成的等效类
class __AnonymousLambda {
private:
    int x; // 按值捕获的变量
public:
    __AnonymousLambda(int x) : x(x) {}
    int operator()(int a) const { 
        return x + a; 
    }
};

//编译器将lambda变量实例化为这个匿名类的对象
__AnonymousLambda lambda(x);

常用用法

与STL算法结合

std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4};
// 使用Lambda过滤偶数
auto it = std::remove_if(nums.begin(), nums.end(), 
    [](int n) { return n % 2 != 0; });
nums.erase(it, nums.end());

作为回调函数

//函数
//callback = [](int result)
void processDate(std::function<void(int)> callback)
{
	cout << "processDate" << endl;
	callback(42);//调用lambda的函数体
}

//调用processDate函数，传入Lambda表达式
processDate([](int result)
{
	cout << "Result" << result;
}

Lambda高级特性

可变lambda（mutable关键字）

默认Lambda的 operator() 是 const 的，使用 mutable 允许修改按值捕获的变量：

int counter = 0;
auto increment = [counter]() mutable {
    counter++;
    std::cout << counter; 
};
increment(); // 输出 1
increment(); // 输出 2（修改的是副本）

捕获表达式（C++14）

std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
auto lambda = [p = std::move(ptr)]() { 
    std::cout << *p; // p 是移动后的 unique_ptr
};

模板lambda（C++20）

auto print = []<typename T>(T value) {
    std::cout << value;
};
print(10);       // T 推导为 int
print(3.14);     // T 推导为 double