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C++ Lambda 表达式完整指南

news 2025/9/7 5:38:35

Lambda 表达式概述

Lambda表达式是C++11引入的重要特性，它允许在代码中定义匿名函数对象。Lambda特别适用于需要传递少量代码作为参数的场景，比如STL算法、回调函数和异步操作。

基本语法结构

Lambda表达式的基本语法如下：

cpp

[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { function-body }

捕获列表详解

捕获列表定义了Lambda如何访问外部变量：

cpp

// 不捕获任何变量
auto func1 = [] { return 42; };// 值捕获
int x = 10;
auto func2 = [x] { return x + 5; };// 引用捕获
auto func3 = [&x] { x += 5; };// 混合捕获
int y = 20, z = 30;
auto func4 = [x, &y, &z] { y = x + z; };// 默认值捕获
auto func5 = [=] { return x + y; };// 默认引用捕获
auto func6 = [&] { x++; y++; };

参数列表和返回类型

cpp

// 无参数
auto simple = [] { return 42; };// 带参数
auto add = [](int a, int b) { return a + b; };// 显式指定返回类型
auto divide = [](double a, double b) -> double {if (b == 0.0) return 0.0;return a / b;
};// C++14 支持auto参数
auto generic_add = [](auto a, auto b) { return a + b; };

mutable 关键字

cpp

int counter = 0;// 错误：不能修改值捕获的变量
// auto increment = [counter] { counter++; };// 正确：使用mutable
auto increment = [counter]() mutable {counter++;return counter;
};

捕获机制详解

值捕获 vs 引用捕获

cpp

void demonstrate_capture() {int value = 10;int ref_value = 20;// 值捕获auto value_capture = [value]() {std::cout << "值捕获: " << value << std::endl;// value++; // 错误：不能修改值捕获的变量};// 引用捕获auto ref_capture = [&ref_value]() {ref_value++; // 可以修改原变量std::cout << "引用捕获: " << ref_value << std::endl;};value = 100;ref_value = 200;value_capture(); // 输出: 值捕获: 10ref_capture();   // 输出: 引用捕获: 201
}

初始化捕获 (C++14)

cpp

void init_capture() {int x = 10;// C++14 初始化捕获auto lambda = [y = x + 5]() {return y * 2;};std::cout << lambda() << std::endl; // 输出 30// 移动语义捕获std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);auto move_lambda = [captured_ptr = std::move(ptr)]() {return *captured_ptr;};
}

实际应用示例

STL 算法中的应用

cpp

void stl_examples() {std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 9, 3};// 排序std::sort(numbers.begin(), numbers.end(), [](int a, int b) { return a > b; });// 查找auto it = std::find_if(numbers.begin(), numbers.end(),[](int n) { return n % 2 == 0; });// 遍历std::for_each(numbers.begin(), numbers.end(),[](int n) { std::cout << n << " "; });// 转换std::vector<int> squared;std::transform(numbers.begin(), numbers.end(),std::back_inserter(squared),[](int n) { return n * n; });
}

多线程编程

cpp

void thread_example() {std::vector<std::thread> threads;std::mutex mtx;int shared_counter = 0;for (int i = 0; i < 10; ++i) {threads.emplace_back([&, i]() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);shared_counter += i;std::cout << "线程 " << i << " 完成" << std::endl;});}for (auto& t : threads) {t.join();}std::cout << "最终计数: " << shared_counter << std::endl;
}

回调函数和事件处理

cpp

class EventHandler {std::vector<std::function<void(int)>> callbacks;public:void register_callback(std::function<void(int)> callback) {callbacks.push_back(callback);}void trigger_event(int value) {for (auto& cb : callbacks) {cb(value);}}
};void callback_example() {EventHandler handler;int external_state = 0;// 注册Lambda回调handler.register_callback([&external_state](int value) {external_state = value * 2;std::cout << "回调执行: " << external_state << std::endl;});handler.trigger_event(42);
}

高级特性

递归Lambda

cpp

void recursive_example() {// 使用std::function实现递归std::function<int(int)> factorial = [&](int n) -> int {return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);};std::cout << "5! = " << factorial(5) << std::endl;// 使用Y组合子auto y_combinator = [](auto f) {return [f](auto... args) {return f(f, args...);};};auto fact = y_combinator([](auto self, int n) -> int {return n <= 1 ? 1 : n * self(self, n - 1);});std::cout << "6! = " << fact(6) << std::endl;
}

constexpr Lambda (C++17)

cpp

constexpr auto compile_time_lambda = [](int n) {return n * n;
};void constexpr_example() {constexpr int result = compile_time_lambda(5);static_assert(result == 25, "编译时计算");std::array<int, compile_time_lambda(3)> arr;std::cout << "数组大小: " << arr.size() << std::endl;
}

最佳实践和注意事项

生命周期管理

cpp

std::function<void()> create_lambda() {int local_var = 42;// 危险：捕获了局部变量的引用// return [&local_var]() { std::cout << local_var; };// 安全：值捕获return [local_var]() { std::cout << local_var; };// 或者使用shared_ptrauto shared_data = std::make_shared<int>(42);return [shared_data]() { std::cout << *shared_data; };
}

性能考虑

cpp

void performance_considerations() {// 小Lambda通常会被内联std::vector<int> data = {1, 2, 3, 4, 5};std::sort(data.begin(), data.end(), [](int a, int b) {return a < b; // 这个Lambda很可能会被内联});// 大的复杂Lambda可能不会被内联auto complex_operation = [](const auto& container) {// 复杂操作...return std::accumulate(container.begin(), container.end(), 0);};
}

类型推导和auto

cpp

void type_deduction() {// auto 推导Lambda类型auto simple = [](int x) { return x * 2; };// std::function 类型擦除std::function<int(int)> func = simple;// 使用decltype获取Lambda类型using LambdaType = decltype(simple);// 模板函数中的Lambdatemplate<typename F>void process_data(F func) {// 使用func...}process_data([](int x) { return x + 1; });
}

常见陷阱和解决方案

悬挂引用问题

cpp

void dangling_reference() {std::function<void()> callback;{int temp = 100;callback = [&temp]() {std::cout << temp; // 危险：temp可能已被销毁};}// callback(); // 未定义行为// 解决方案：值捕获或shared_ptrint safe_value = 100;callback = [safe_value]() {std::cout << safe_value; // 安全};callback(); // 安全
}

mutable 的正确使用

cpp

void mutable_usage() {int count = 0;// 错误用法auto wrong = [count]() mutable {count++;std::cout << count;};wrong(); // 输出1wrong(); // 输出2，但原count仍然是0// 正确用法：如果需要修改外部变量，使用引用捕获auto correct = [&count]() {count++;std::cout << count;};correct(); // count变为1correct(); // count变为2
}