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C++ 中的 Lambda 表达式：函数式编程的利器

article 2024/12/24 6:56:38

在现代 C++ 编程中，Lambda 表达式作为一种强大的功能，极大地提升了代码的简洁性和灵活性。Lambda 表达式可以让我们在需要时动态创建匿名函数，并立即使用它们，避免了繁琐的函数定义或类方法的绑定。本文将详细讲解 C++ 中 Lambda 表达式的基础知识、使用场景及一些高级用法，帮助你更高效地写出简洁而强大的代码。

一、什么是 Lambda 表达式？

Lambda 表达式是 C++11 引入的一项功能，允许你在函数内部定义匿名函数并立即使用它。它的语法非常简洁，尤其适用于临时函数、回调函数等场景。

基本语法如下：

[捕获列表](参数列表) -> 返回类型 {
    // 函数体
}

捕获列表：定义 Lambda 如何访问外部变量（例如：通过值、引用等）。
参数列表：定义 Lambda 接受的参数（与普通函数类似）。
返回类型：定义 Lambda 的返回类型（可选，编译器可推断）。
函数体：Lambda 函数的具体实现。

二、简单例子：Lambda 表达式的基本使用

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    // 定义一个简单的 Lambda 表达式，捕获外部变量并输出
    int x = 10;
    auto lambda = [x]() {
        std::cout << "Value of x: " << x << std::endl;
    };

    lambda();  // 调用 Lambda 表达式

    return 0;
}

输出：

Value of x: 10

在这个示例中，我们定义了一个 Lambda 表达式，捕获了外部变量 x 并输出其值。Lambda 表达式执行时会自动使用外部变量的值。

三、Lambda 捕获的方式

Lambda 表达式的捕获方式决定了它如何访问外部变量。常见的捕获方式包括按值捕获和按引用捕获。

1. 按值捕获

按值捕获意味着将外部变量的副本传递给 Lambda 表达式，这样 Lambda 在执行时不会影响外部变量的值。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int x = 10;
    auto lambda = [x]() {
        std::cout << "Captured by value: " << x << std::endl;
    };

    x = 20;  // 修改外部变量的值
    lambda();  // Lambda 内部的 x 仍然是 10

    return 0;
}

输出：

Captured by value: 10

2. 按引用捕获

按引用捕获意味着 Lambda 表达式可以直接操作外部变量，并且对变量的修改会影响到外部。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int x = 10;
    auto lambda = [&x]() {
        x += 5;
        std::cout << "Captured by reference: " << x << std::endl;
    };

    lambda();  // 修改了外部变量 x 的值
    std::cout << "Outside Lambda, x: " << x << std::endl;  // x 的值被修改

    return 0;
}

输出：

Captured by reference: 15
Outside Lambda, x: 15

3. 按值和按引用混合捕获

你可以在捕获列表中混合使用按值和按引用捕获。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    auto lambda = [x, &y]() {
        std::cout << "Captured by value: " << x << ", captured by reference: " << y << std::endl;
        y += 5;  // 修改 y
    };

    lambda();
    std::cout << "Outside Lambda, y: " << y << std::endl;  // y 的值被修改

    return 0;
}

输出：

Captured by value: 10, captured by reference: 20
Outside Lambda, y: 25

四、Lambda 表达式的返回类型

Lambda 表达式的返回类型可以通过 -> 显式指定，也可以让编译器自动推断。

1. 自动推断返回类型

C++14 引入了对 Lambda 返回类型的自动推断功能，你不需要显式指定返回类型，编译器会根据函数体自动推导。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    auto lambda = [](int a, int b) {
        return a + b;  // 返回 a 和 b 的和
    };

    std::cout << "Sum: " << lambda(3, 5) << std::endl;

    return 0;
}

输出：

Sum: 8

2. 显式指定返回类型

如果你希望显式指定 Lambda 表达式的返回类型，可以使用 -> 进行声明。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    auto lambda = [](int a, int b) -> double {
        return a + b;  // 返回类型显式为 double
    };

    std::cout << "Sum as double: " << lambda(3, 5) << std::endl;

    return 0;
}

输出：

Sum as double: 8

五、高级用法：Lambda 与 `std::sort` 配合

Lambda 表达式与标准库算法（如 std::sort）的结合使得代码更加简洁且高效。以下是一个使用 Lambda 表达式对自定义对象进行排序的示例。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

struct Person {
    std::string name;
    int age;
};

int main() {
    std::vector<Person> people = { {"Alice", 30}, {"Bob", 25}, {"Charlie", 35} };

    // 按年龄排序
    std::sort(people.begin(), people.end(), [](const Person& a, const Person& b) {
        return a.age < b.age;
    });

    for (const auto& person : people) {
        std::cout << person.name << " " << person.age << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：