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C++ 函数对象、仿函数与 Lambda 表达式详解
在 C++ 中，函数对象（Function Object）、仿函数（Functor） 和 Lambda 表达式 是三种实现可调用行为的技术，它们在功能上类似，但语法和适用场景有所不同。
一、函数对象（仿函数）
函数对象 是通过重载 operator() 的类实例，使对象可以像函数一样被调用。它本质是类对象，但行为类似函数，因此也被称为 仿函数。
1. 基本用法
class Adder {
public:Adder(int n) : num(n) {}int operator()(int x) const {return x + num;}
private:int num;
};int main() {Adder add5(5);cout << add5(3); // 输出 8
}
Adder类重载了operator()，实例add5可以像函数一样调用。- 优点：可以保存状态（如成员变量
num），比函数指针更灵活。
2. 应用场景
- STL算法：如
std::sort、std::transform需要传入自定义逻辑时。 - 需要状态的函数：例如计数器、累加器等。
- 模板元编程：作为策略类传递。
二、Lambda 表达式
Lambda 表达式 是 C++11 引入的匿名函数，语法简洁，可捕获上下文变量。编译器会将其转换为匿名函数对象。
1. 基本语法
[捕获列表](参数列表) -> 返回类型 { 函数体 }
-
捕获列表：指定如何捕获外部变量（值捕获
[x]、引用捕获[&x]、隐式捕获[=]或[&]）。 -
mutable：允许修改按值捕获的变量（默认
const）。 -
示例：
auto add5 = [num=5](int x) { return x + num; }; cout << add5(3); // 输出 8
2. 底层实现
Lambda 会被编译为一个匿名类，类似仿函数：
// 编译器生成的类
class __AnonymousLambda {
public:__AnonymousLambda(int n) : num(n) {}int operator()(int x) const { return x + num; }
private:int num;
};
3. 高级特性
-
C++14：支持泛型 Lambda（参数用
auto）。auto print = [](auto x) { cout << x; }; -
C++20：支持模板 Lambda 和
[=, this]显式捕获this。
三、函数对象 vs Lambda 表达式
| 特性 | 函数对象 | Lambda 表达式 |
|---|---|---|
| 语法复杂度 | 需要显式定义类 | 内联匿名，语法简洁 |
| 状态管理 | 通过成员变量保存状态 | 通过捕获列表管理外部变量 |
| 重载 operator() | 支持多个重载版本 | 单一函数体，不支持重载 |
| 性能 | 通常可内联，高效 | 同函数对象，编译器优化 |
| 适用场景 | 复杂逻辑、需要复用的操作 | 简单、一次性使用的逻辑 |
四、选择建议
- 使用 Lambda：当逻辑简单、临时使用，或需要捕获局部变量时。
- 使用函数对象：当需要复用逻辑、维护复杂状态，或需要重载
operator()时。
五、示例对比
1. 排序比较器
仿函数实现：
struct Compare {bool operator()(int a, int b) const { return a > b; }
};
vector<int> vec {3, 1, 4};
sort(vec.begin(), vec.end(), Compare());
Lambda 实现：
sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) { return a > b; });
2. 带状态的累加器
仿函数实现：
class Counter {int count = 0;
public:int operator()() { return ++count; }
};
Counter cnt;
cout << cnt() << cnt(); // 输出 1 2
Lambda 实现：
auto counter = [count=0]() mutable { return ++count; };
cout << counter() << counter(); // 输出 1 2
六、总结
- 函数对象/仿函数：适合复杂、可复用的逻辑，或需要重载的场景。
- Lambda 表达式：适合简单、临时的操作，尤其是需要捕获上下文时。
- 底层一致性：Lambda 本质是编译器生成的函数对象，二者性能相同。