引言

當今軟件開發行業的快速發展和日益復雜的需求，要求程序員們具備靈活而高效的編程技巧。在這樣的背景下，C++11引入了一項強大而令人興奮的特性：lambda表達式。lambda表達式為C++程序員提供了一種簡潔、靈活且強大的方式來定義和使用匿名函數。通過lambda表達式，我們可以將函數作為一等公民對待，更加方便地實現函數對象的傳遞和使用。它不僅提供了一種新的編碼方式，還使得代碼更易于理解和維護。

在本文中，我們將深入探討C++11中lambda表達式的語法、特性和用法。我們將介紹如何定義lambda表達式，如何捕獲外部變量，并演示lambda表達式在各種場景下的實際應用。無論您是C++開發新手還是有經驗的老手，本文都將為您提供全面而深入的指導，幫助您充分發揮lambda表達式的威力，提升代碼的可讀性和性能。請各位坐穩扶好，咱們要開車了😍！！！

一、C++98中的一個例子

在C++98中，如果想要對一個數據集合中的元素進行排序，可以使用std::sort方法。如果待排序元素為自定義類型，需要用戶定義排序時的比較規則：

struct Goods
{string _name; // 名字double _price; // 價格int _evaluate; // 評價Goods(const char* str, double price, int evaluate):_name(str), _price(price), _evaluate(evaluate){}
};
struct ComparePriceLess
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price < gr._price;}
};
struct ComparePriceGreater
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price > gr._price;}
};
int main()
{vector<Goods> v = { { "蘋果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2, 3 }, { "菠蘿", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());
}

隨著C++語法的發展，人們開始覺得上面的寫法太復雜了，每次為了實現一algorithm算法，都要重新去寫一個類，感覺就為了一盤醋包了餃子。如果每次比較的邏輯不一樣，還要去實現多個類，特別是相同類的命名，這些都給編程者帶來了極大的不便。因此，在C++11語法中出現了Lambda表達式。

二、Lambda表達式

int main()
{vector<Goods> v = { { "蘋果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2, 3 }, { "菠蘿", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._price < g2._price; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._price > g2._price; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._evaluate < g2._evaluate; });sort(v.begin(), v.end(), [](const Goods& g1, const Goods& g2){return g1._evaluate > g2._evaluate; });
}

上述代碼就是使用C++11中的lambda表達式來解決，可以看出lambda表達式實際是一個匿名函數。是不是感覺目的明朗了好多？這就是lambda表達式的魅力。

1. Lambda表達式語法

lambda表達式的書寫格式為：

[capture-list] (parameters) mutable -> return-type { statement 
}

（1）Lambda表達式各部分說明

?其中各部分的含義如下：

• capture-list：捕獲列表，該列表總是出現在lambda函數的開始位置，編譯器根據[ ]來判斷接下來的代碼是否為lambda函數，捕捉列表能夠捕捉上下文中的變量供lambda函數使用。
• parameters：參數列表，類似于普通函數的參數列表，用于接收傳入的參數。如果不需要參數傳遞，則可以連同( )一起省略。
• mutable：可選關鍵字，用于指示是否可以修改被捕獲的值。默認情況下，lambda函數總是一個const函數，mutable可以取消其常量性。使用該修飾符時，參數列表不可省略(即使參數為空)。
• return-type：返回值類型。用追蹤返回類型形式聲明函數的返回值類型，沒有返回值時此部分可省略。返回值類型明確情況下，也可省略，由編譯器對返回類型進行推導。
• {statement}：函數體。在該函數體內，除了可以使用其參數外，還可以使用所有捕獲到的變量。

🚨注意：
在lambda函數定義中，參數列表和返回值類型都是可選部分，而捕捉列表和函數體可以為空。因此C++11中最簡單的lambda函數為：[ ] { }; 該lambda函數不能做任何事情。

int main()
{// 最簡單的lambda表達式, 該lambda表達式沒有任何意義[]{};// 省略參數列表和返回值類型，返回值類型由編譯器推導為intint a = 3, b = 4;[=]{return a + 3; };// 省略了返回值類型，無返回值類型auto fun1 = [&](int c){b = a + c; };fun1(10)cout<<a<<" "<<b<<endl;// 各部分都很完善的lambda函數auto fun2 = [=, &b](int c)->int{return b += a+ c; };cout<<fun2(10)<<endl;// 復制捕捉xint x = 10;auto add_x = [x](int a) mutable { x *= 2; return a + x; };cout << add_x(10) << endl;return 0;
}

通過上述例子可以看出，lambda表達式實際上可以理解為無名函數，該函數無法直接調用，如果想要直接調用，可借助auto將其賦值給一個變量。

（2）捕獲列表說明

捕捉列表描述了上下文中那些數據可以被lambda使用，以及使用的方式傳值還是傳引用。

• [var]：表示值傳遞方式捕捉變量var，即在lambda表達式內部以值的方式使用外部變量var。
• [=]：表示值傳遞方式捕獲所有父作用域中的變量，包括this指針。在lambda表達式內部以值的方式使用所有外部變量。
• [&var]：表示引用傳遞捕捉變量var，即在lambda表達式內部以引用的方式使用外部變量var。
• [&]：表示引用傳遞捕捉所有父作用域中的變量，包括this指針。在lambda表達式內部以引用的方式使用所有外部變量。
• [this]：表示值傳遞方式捕捉當前的this指針，可以在lambda表達式內部使用當前對象的成員變量和成員函數。

通過這些捕獲方式，可以靈活地控制lambda表達式對外部變量的訪問方式，從而實現不同的功能需求。

🚨注意：

1. 父作用域指的是包含lambda函數的語句塊或函數體。
2. 捕獲列表可以由多個捕獲項組成，并以逗號分隔。每個捕獲項可以使用不同的捕獲方式，如值傳遞或引用傳遞。
   • 例如 [=, &a, &b] 表示以引用傳遞的方式捕捉變量a和b，以值傳遞的方式捕捉其他所有變量。
   • 例如 [&, a, this] 表示以值傳遞的方式捕捉變量a和this，以引用傳遞的方式捕捉其他變量。
3. 捕獲列表不允許重復捕捉同一個變量，否則會導致編譯錯誤。
   • 例如 [=, a] 中的= a 重復捕捉了變量a。
4. 在不是塊作用域的地方定義的lambda函數，捕獲列表必須為空。
5. 在塊作用域中定義的lambda函數只能捕捉父作用域中的局部變量，捕捉其他作用域或非局部變量將導致編譯錯誤。
6. lambda表達式之間不能相互賦值，即使看起來類型相同

void (*PF)();
int main()
{auto f1 = []{cout << "hello world" << endl; };auto f2 = []{cout << "hello world" << endl; };//f1 = f2; // 編譯失敗--->提示找不到operator=()// 允許使用一個lambda表達式拷貝構造一個新的副本auto f3(f2);f3();// 可以將lambda表達式賦值給相同類型的函數指針PF = f2;PF();return 0;
}

三、Lambda表達式的底層原理

?函數對象

函數對象，又稱為仿函數，即可以想函數一樣使用的對象，就是在類中重載了operator()運算符的類對象。

class Rate
{
public:Rate(double rate): _rate(rate){}double operator()(double money, int year){ return money * _rate * year;}
private:double _rate;
};int main()
{// 函數對象double rate = 0.49;Rate r1(rate);r1(10000, 2);// lambdaauto r2 = [=](double monty, int year)->double{return monty*rate*year;};r2(10000, 2);return 0;
}

從使用方式上來看，函數對象與lambda表達式完全一樣實際在底層編譯器對于lambda表達式的處理方式，完全就是按照函數對象的方式處理的，即：如果定義了一個lambda表達式，編譯器會自動生成一個類，在該類中重載了operator( )。

當我們使用Lambda表達式時，實際上是在定義一個匿名函數對象。這個匿名函數對象可以捕獲其所在作用域中的變量，并且可以像函數一樣被調用。Lambda表達式的底層原理涉及到以下幾個步驟：

1. 閉包類型的生成：編譯器會根據Lambda表達式的定義，隱式地生成一個與Lambda表達式對應的閉包類型。這個閉包類型實際上是一個匿名的類類型，它包含Lambda表達式的執行體，以及捕獲的外部變量。

2. 捕獲列表的處理：Lambda表達式可以通過捕獲列表指定在其作用域外部定義的變量的訪問方式。捕獲列表告訴編譯器應該以值傳遞還是引用傳遞的方式來捕獲變量，并且根據捕獲列表生成對應的閉包類型的成員變量。

3. 閉包對象的生成：當Lambda表達式被創建時，實際上是生成了一個對應的閉包對象，同時也會生成對應的閉包類型。這個閉包對象包含了Lambda表達式的執行體，以及捕獲的外部變量的值或引用。

4. 函數調用操作符的重載：生成的閉包類型重載了函數調用操作符operator()，并且在其中實現了Lambda表達式的執行體。當我們調用Lambda表達式時，實際上是在調用這個閉包對象的operator()，從而執行Lambda表達式的代碼。

通過以上步驟，Lambda表達式在底層實際上是通過生成閉包類型、處理捕獲列表、生成閉包對象，并重載函數調用操作符來實現的。這些機制使得Lambda表達式能夠在C++中方便地定義匿名函數，并捕獲其所在作用域中的變量。

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