C++ Lambda 表达式完整指南

微风扬！2025-09-07 13:39

Lambda 表达式概述

Lambda表达式是C++11引入的重要特性，它允许在代码中定义匿名函数对象。Lambda特别适用于需要传递少量代码作为参数的场景，比如STL算法、回调函数和异步操作。

基本语法结构

Lambda表达式的基本语法如下：

cpp

复制代码 
[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { function-body }

捕获列表详解

捕获列表定义了Lambda如何访问外部变量：

cpp

复制代码 
// 不捕获任何变量
auto func1 = [] { return 42; };

// 值捕获
int x = 10;
auto func2 = [x] { return x + 5; };

// 引用捕获
auto func3 = [&x] { x += 5; };

// 混合捕获
int y = 20, z = 30;
auto func4 = [x, &y, &z] { y = x + z; };

// 默认值捕获
auto func5 = [=] { return x + y; };

// 默认引用捕获
auto func6 = [&] { x++; y++; };

参数列表和返回类型

cpp

复制代码 
// 无参数
auto simple = [] { return 42; };

// 带参数
auto add = [](int a, int b) { return a + b; };

// 显式指定返回类型
auto divide = [](double a, double b) -> double {
    if (b == 0.0) return 0.0;
    return a / b;
};

// C++14 支持auto参数
auto generic_add = [](auto a, auto b) { return a + b; };

mutable 关键字

cpp

复制代码 
int counter = 0;

// 错误：不能修改值捕获的变量
// auto increment = [counter] { counter++; };

// 正确：使用mutable
auto increment = [counter]() mutable {
    counter++;
    return counter;
};

捕获机制详解

值捕获 vs 引用捕获

cpp

复制代码 
void demonstrate_capture() {
    int value = 10;
    int ref_value = 20;
    
    // 值捕获
    auto value_capture = [value]() {
        std::cout << "值捕获: " << value << std::endl;
        // value++; // 错误：不能修改值捕获的变量
    };
    
    // 引用捕获
    auto ref_capture = [&ref_value]() {
        ref_value++; // 可以修改原变量
        std::cout << "引用捕获: " << ref_value << std::endl;
    };
    
    value = 100;
    ref_value = 200;
    
    value_capture(); // 输出: 值捕获: 10
    ref_capture();   // 输出: 引用捕获: 201
}

初始化捕获 (C++14)

cpp

复制代码 
void init_capture() {
    int x = 10;
    
    // C++14 初始化捕获
    auto lambda = [y = x + 5]() {
        return y * 2;
    };
    
    std::cout << lambda() << std::endl; // 输出 30
    
    // 移动语义捕获
    std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
    auto move_lambda = [captured_ptr = std::move(ptr)]() {
        return *captured_ptr;
    };
}

实际应用示例

STL 算法中的应用

cpp

复制代码 
void stl_examples() {
    std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 9, 3};
    
    // 排序
    std::sort(numbers.begin(), numbers.end(), 
              [](int a, int b) { return a > b; });
    
    // 查找
    auto it = std::find_if(numbers.begin(), numbers.end(),
                         [](int n) { return n % 2 == 0; });
    
    // 遍历
    std::for_each(numbers.begin(), numbers.end(),
                [](int n) { std::cout << n << " "; });
    
    // 转换
    std::vector<int> squared;
    std::transform(numbers.begin(), numbers.end(),
                 std::back_inserter(squared),
                 [](int n) { return n * n; });
}

多线程编程

cpp

复制代码 
void thread_example() {
    std::vector<std::thread> threads;
    std::mutex mtx;
    int shared_counter = 0;
    
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back([&, i]() {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            shared_counter += i;
            std::cout << "线程 " << i << " 完成" << std::endl;
        });
    }
    
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    
    std::cout << "最终计数: " << shared_counter << std::endl;
}

回调函数和事件处理

cpp

复制代码 
class EventHandler {
    std::vector<std::function<void(int)>> callbacks;
    
public:
    void register_callback(std::function<void(int)> callback) {
        callbacks.push_back(callback);
    }
    
    void trigger_event(int value) {
        for (auto& cb : callbacks) {
            cb(value);
        }
    }
};

void callback_example() {
    EventHandler handler;
    int external_state = 0;
    
    // 注册Lambda回调
    handler.register_callback([&external_state](int value) {
        external_state = value * 2;
        std::cout << "回调执行: " << external_state << std::endl;
    });
    
    handler.trigger_event(42);
}

高级特性

递归Lambda

cpp

复制代码 
void recursive_example() {
    // 使用std::function实现递归
    std::function<int(int)> factorial = [&](int n) -> int {
        return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
    };
    
    std::cout << "5! = " << factorial(5) << std::endl;
    
    // 使用Y组合子
    auto y_combinator = [](auto f) {
        return [f](auto... args) {
            return f(f, args...);
        };
    };
    
    auto fact = y_combinator([](auto self, int n) -> int {
        return n <= 1 ? 1 : n * self(self, n - 1);
    });
    
    std::cout << "6! = " << fact(6) << std::endl;
}

constexpr Lambda (C++17)

cpp

复制代码 
constexpr auto compile_time_lambda = [](int n) {
    return n * n;
};

void constexpr_example() {
    constexpr int result = compile_time_lambda(5);
    static_assert(result == 25, "编译时计算");
    
    std::array<int, compile_time_lambda(3)> arr;
    std::cout << "数组大小: " << arr.size() << std::endl;
}

最佳实践和注意事项

生命周期管理

cpp

复制代码 
std::function<void()> create_lambda() {
    int local_var = 42;
    
    // 危险：捕获了局部变量的引用
    // return [&local_var]() { std::cout << local_var; };
    
    // 安全：值捕获
    return [local_var]() { std::cout << local_var; };
    
    // 或者使用shared_ptr
    auto shared_data = std::make_shared<int>(42);
    return [shared_data]() { std::cout << *shared_data; };
}

性能考虑

cpp

复制代码 
void performance_considerations() {
    // 小Lambda通常会被内联
    std::vector<int> data = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::sort(data.begin(), data.end(), [](int a, int b) {
        return a < b; // 这个Lambda很可能会被内联
    });
    
    // 大的复杂Lambda可能不会被内联
    auto complex_operation = [](const auto& container) {
        // 复杂操作...
        return std::accumulate(container.begin(), container.end(), 0);
    };
}

类型推导和auto

cpp

复制代码 
void type_deduction() {
    // auto 推导Lambda类型
    auto simple = [](int x) { return x * 2; };
    
    // std::function 类型擦除
    std::function<int(int)> func = simple;
    
    // 使用decltype获取Lambda类型
    using LambdaType = decltype(simple);
    
    // 模板函数中的Lambda
    template<typename F>
    void process_data(F func) {
        // 使用func...
    }
    
    process_data([](int x) { return x + 1; });
}

常见陷阱和解决方案

悬挂引用问题

cpp

复制代码 
void dangling_reference() {
    std::function<void()> callback;
    
    {
        int temp = 100;
        callback = [&temp]() {
            std::cout << temp; // 危险：temp可能已被销毁
        };
    }
    
    // callback(); // 未定义行为
    
    // 解决方案：值捕获或shared_ptr
    int safe_value = 100;
    callback = [safe_value]() {
        std::cout << safe_value; // 安全
    };
    
    callback(); // 安全
}

mutable 的正确使用

cpp

复制代码 
void mutable_usage() {
    int count = 0;
    
    // 错误用法
    auto wrong = [count]() mutable {
        count++;
        std::cout << count;
    };
    
    wrong(); // 输出1
    wrong(); // 输出2，但原count仍然是0
    
    // 正确用法：如果需要修改外部变量，使用引用捕获
    auto correct = [&count]() {
        count++;
        std::cout << count;
    };
    
    correct(); // count变为1
    correct(); // count变为2
}

总结

C++ Lambda表达式是现代C++编程中不可或缺的工具，它提供了简洁、灵活的匿名函数定义方式。通过合理使用捕获列表、参数列表和返回类型，可以创建各种功能强大的Lambda表达式。

关键要点：

  1. 根据需求选择合适的捕获方式（值捕获/引用捕获）

  2. 注意变量的生命周期，避免悬挂引用

  3. 在STL算法和多线程编程中充分利用Lambda

  4. 使用mutable时要理解其实际作用

  5. 考虑性能影响，小Lambda通常会被优化内联

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