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news 2025/9/26 10:50:35

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C++的lambda表达式原理

1 简介

在 C++11 标准中，引入了 Lambda 表达式这一重要特性，为开发者提供了更简洁、灵活的编程方式。Lambda 表达式，也被称为匿名函数，允许在代码中直接定义一个可调用的代码单元，而无需显式地定义一个命名函数。这一特性极大地增强了 C++ 的表达能力，尤其在函数式编程和算法应用中发挥了重要作用。本文将深入探讨 C++ Lambda 表达式的语法、特性、应用场景以及其背后的实现原理。

ambda 表达式可以理解为一个匿名的内联函数，它具有一个返回类型、一个参数列表和一个函数体。与普通函数不同的是，Lambda 表达式通常使用尾置返回类型。其基本语法形式如下：

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

capture list：捕获列表，用于指定 Lambda 表达式所在函数中定义的局部变量列表，这些变量可以在 Lambda 表达式内部使用。捕获可以进行值捕获，引用捕获，可变捕获，以及前几种的混合捕获。
parameter list：参数列表，与普通函数的参数列表类似，用于接收调用时传递的参数。
return type：返回类型，指定 Lambda 表达式的返回值类型。在某些情况下，编译器可以自动推断返回类型，此时可以省略该部分。
function body：函数体，包含了 Lambda 表达式实际执行的代码逻辑。

std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 9};
std::sort(numbers.begin(), numbers.end(), [](int a, int b) { return a < b; });
for (int num : numbers) {std::cout << num << " "; // 输出：1 2 5 8 9
}

2 原理

当编写一个 Lambda 表达式时，编译器会将其转换为一个未命名类的未命名对象，这个类重载了函数调用运算符operator()。例如，考虑以下 Lambda 表达式：

int main(){auto lambda = [](int a, int b) { return a + b; };lambda(1,2);
}

编译器大致会将其转换为类似如下的代码。可以看到主要就是创建了一个匿名类并且重载类对应的operator()函数，同时重载operator*。__invoke函数提供了一种方式，使得 lambda 表达式可以被转换为函数指针类型。这对于需要将 lambda 作为参数传递给接受函数指针的函数非常重要。例如，某些标准库函数或算法可能需要一个函数指针作为参数。

int main()
{class __lambda_3_19{public: inline /*constexpr */ int operator()(int a, int b) const{return a + b;}using retType_3_19 = int (*)(int, int);inline constexpr operator retType_3_19 () const noexcept{return __invoke;};private: static inline /*constexpr */ int __invoke(int a, int b){return __lambda_3_19{}.operator()(a, b);}};__lambda_3_19 lambda = __lambda_3_19{};lambda.operator()(1, 2);return 0;
}

值捕获
编译器会为捕获的变量在匿名类中创建相应的数据成员，并在构造函数中使用捕获变量的值进行初始化。例如：

int main(){int a = 1;int b = 2;auto lambda = [=]() { return a + b; };lambda();
}

对应生成的代码中添加了两个成员，并且在匿名类初始化时初始化这两个成员。

int main()
{int a = 1;int b = 2;class __lambda_5_19{public: inline /*constexpr */ int operator()() const{return a + b;}private: int a;int b;public:__lambda_5_19(int & _a, int & _b): a{_a}, b{_b}{}};__lambda_5_19 lambda = __lambda_5_19{a, b};lambda.operator()();return 0;
}

引用捕获
引用捕获同理，区别是成员变成了引用。

int main(){int a = 1;int b = 2;auto lambda = [&]() { return a + b; };lambda();
}

int main()
{int a = 1;int b = 2;class __lambda_5_19{public: inline /*constexpr */ int operator()() const{return a + b;}private: int & a;int & b;public:__lambda_5_19(int & _a, int & _b): a{_a}, b{_b}{}};__lambda_5_19 lambda = __lambda_5_19{a, b};lambda.operator()();return 0;
}