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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。

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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。

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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。

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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

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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。

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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

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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。