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C++ 函数式编程Lambda表达式

article 2025/1/5 17:33:12

C++ 是一门支持多种编程范式的语言，包括 函数式编程。在函数式编程中，函数被视为一等公民，可以像数据一样传递、返回，甚至被赋值给变量。C++ 引入的 Lambda 表达式 是支持函数式编程的一个重要特性。接下来，我们将详细介绍 函数式编程 在 C++ 中的应用，以及 Lambda 表达式 的语法、变量捕获规则和泛型用法。

一、C++中的函数式编程

函数式编程（Functional Programming） 是一种编程范式，其中函数是 一等公民（first-class citizens）。这意味着函数可以像其他数据类型一样被传递、赋值、返回等。

C++ 作为一门多范式语言，既支持面向对象编程（OOP），也支持函数式编程。C++11 引入了 Lambda 表达式，使得函数式编程在 C++ 中变得更加自然。

1. 函数作为一等公民

在 C++ 中，函数可以像数据一样被操作。您可以通过以下方式将函数作为一等公民使用：

将函数指针作为参数传递给其他函数
将函数作为返回值返回
将函数指针赋值给变量

例如：

#include <iostream>
using namespace std;

// 普通函数
int add(int x, int y) {
    return x + y;
}

// 将函数作为参数传递
void operate(int x, int y, int (*func)(int, int)) {
    cout << "Result: " << func(x, y) << endl;
}

int main() {
    // 将 add 函数作为参数传递
    operate(5, 3, add);  // 输出 Result: 8
    return 0;
}

二、Lambda 表达式

Lambda 表达式 是 C++11 引入的一个强大的特性，它让我们能够方便地定义匿名函数并在需要时使用它们。Lambda 表达式特别适合在算法、回调和并发等场景中使用。

1. Lambda 表达式的语法形式

Lambda 表达式的基本语法如下：

[捕获列表](参数列表) -> 返回类型 { 函数体 }

捕获列表（[]）：指定如何捕获外部变量。可以按值捕获、按引用捕获等。
参数列表（(int x)）：和普通函数一样，Lambda 表达式可以接受参数。
返回类型（-> 返回类型）：指定 Lambda 的返回类型。如果返回类型可以自动推导，可以省略。
函数体（{}）：Lambda 表达式的实际实现。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // Lambda 表达式，计算两个数的和
    auto add = [](int a, int b) -> int {
        return a + b;
    };

    cout << add(3, 4) << endl;  // 输出 7
    return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个 Lambda 表达式 add，它接受两个整数参数并返回它们的和。

2. 变量捕获规则

Lambda 表达式可以访问外部作用域中的变量。通过 捕获列表（[]） 来指定如何捕获外部变量。C++ 支持按 值捕获 和 按引用捕获 两种方式。

按值捕获（[=]）：捕获外部变量的副本。
按引用捕获（[&]）：捕获外部变量的引用。
显式捕获：指定单个或多个变量的捕获方式

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int n = 10;
	int x = 5, y = 10;
    // 按值捕获外部变量 n
    auto byValue = [=](int x) {
        cout << "By Value: " << x * n << endl;  // 使用捕获的副本 n
    };

    // 按引用捕获外部变量 n
    auto byReference = [&](int x) {
        cout << "By Reference: " << x * n << endl;  // 使用 n 的引用
        n = 20;  // 修改 n
    };

	auto printXY = [=, &y]() {
	    cout << "x = " << x << ", y = " << y << endl;  // x 按值捕获，y 按引用捕获
	    y = 20;  // 修改 y
	};
    byValue(3);  // 输出 By Value: 30
    cout << "n after byValue: " << n << endl;  // 输出 n after byValue: 10 (n 不变)

    byReference(3);  // 输出 By Reference: 30
    cout << "n after byReference: " << n << endl;  // 输出 n after byReference: 20 (n 被修改)

    return 0;
}

byValue 按值捕获外部变量 n，Lambda 内部使用的是 n 的副本，修改外部 n 不会影响 Lambda 内部的副本。
byReference 按引用捕获外部变量 n，Lambda 内部直接操作外部 n，修改 n 会影响外部 n。

3. 泛型 Lambda

C++14 引入了 泛型 Lambda（Generic Lambda），允许我们在 Lambda 表达式中使用 auto 关键字来声明参数类型，从而使得 Lambda 可以适用于多种类型。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 泛型 Lambda
    auto print = [](auto x) {
        cout << x << endl;
    };

    print(42);          // 输出 42
    print(3.14);        // 输出 3.14
    print("Hello");     // 输出 Hello

    return 0;
}

在这个示例中，Lambda 使用 auto 来表示它可以接受任何类型的参数，且能够根据传入参数的类型自动推导。

泛型 Lambda 与模板函数的对比：

模板函数：在编译时确定函数的类型。
泛型 Lambda：提供了更简洁的语法，能够在运行时根据输入的类型自动推导。

三、Lambda 表达式的完整示例

让我们结合之前的内容，创建一个更为完整的 Lambda 表达式示例，涵盖捕获规则、参数、返回类型和泛型 Lambda：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    // 定义一个包含整数的向量
    vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 按值捕获并传递参数，计算平方
    int multiplier = 2;
    auto squareAndMultiply = [=](int x) -> int {
        return x * x * multiplier;
    };

    // 使用标准库算法 for_each 传递 Lambda 表达式
    for_each(nums.begin(), nums.end(), [&](int n) {
        cout << squareAndMultiply(n) << " ";  // 输出平方并乘以 multiplier
    });
    cout << endl;

    // 泛型 Lambda 用于不同类型的数据
    auto print = [](auto x) {
        cout << x << endl;
    };

    print(42);        // 输出 42
    print(3.14);      // 输出 3.14
    print("Hello");   // 输出 Hello

    return 0;
}