C++ Lambda 表达式

Lambda 表达式的完整语法如下：

[capture](parameters) mutable -> return_type { body }

[capture]（捕获列表）：指定外部变量如何被 Lambda 表达式捕获（按值或按引用）。

(parameters)（参数列表）：类似普通函数的参数，定义 Lambda 接受的输入。

mutable（可选）：允许在按值捕获时修改捕获的变量（默认按值捕获是只读的）。

-> return_type（返回类型，可选）：显式指定返回类型，通常由编译器推导。

{ body }（函数体）：Lambda 的实现逻辑。

捕获列表决定了 Lambda 如何访问外部作用域的变量。捕获方式有以下几种：

1.按值捕获 [x]

外部变量被复制到 Lambda 内部，Lambda 持有该变量的副本。

int x = 10;
auto func = [x]() { return x * 2; };  // x 是副本
std::cout << func() << "\n";  // 输出 20
x = 20;
std::cout << func() << "\n";  // 依然输出 20，因为 func 内部的 x 是副本

按值捕获默认只读，使用 mutable 允许修改副本，但不会影响外部变量。

int x = 10;
auto func = [x]() mutable { x += 1; return x; };
std::cout << func() << "\n";  // 输出 11
std::cout << x << "\n";       // 输出 10，外部 x 不变

2.按引用捕获 [&x]

Lambda 直接引用外部变量，修改 Lambda 内部的变量会影响外部变量。如果外部变量被销毁（例如离开作用域），Lambda 引用它会导致未定义行为（悬垂引用）。

示例：

int x = 10;
auto refFunc = [&x]() { return x * 2; };  // x 是引用
x = 20;
std::cout << refFunc() << "\n";  // 输出 40，因为 refFunc 引用了修改后的 x

3.全局捕获

[=]：按值捕获所有外部变量的副本。

[&]：按引用捕获所有外部变量。

混合捕获：可以组合，例如 [=, &x] 表示默认按值捕获，但 x 按引用捕获。

示例：

int x = 10, y = 5;
auto mixed = [=, &x]() { return x + y; };  // y 按值，x 按引用
x = 20;
std::cout << mixed() << "\n";  // 输出 25（x=20, y=5 的副本）

4.捕获 this

在类成员函数中，[this] 捕获当前对象的指针，[*this]（C++17 起）捕获当前对象的副本。按引用捕获 [&] 隐式包含 this。

示例：

struct Example {int x = 10;void func() {auto lambda = [this]() { return x * 2; };std::cout << lambda() << "\n";  // 输出 20}
};

5.空捕获 []

示例：

auto callback = [](int x) { std::cout << "Callback: " << x << "\n"; };

Lambda 表达式的捕获列表是 []，表示空捕获，即不捕获任何外部变量，既不是按值捕获也不是按引用捕获。[] 表示 Lambda 表达式不从外部作用域捕获任何变量。Lambda 的函数体 { std::cout << "Callback: " << x << "\n"; } 只使用了参数 x（通过函数调用传入）和全局对象 std::cout。std::cout 是全局的，不需要捕获，而 x 是 Lambda 的参数，不是外部作用域的变量。

捕获（按值 [=] 或按引用 [&]）只有在 Lambda 访问外部作用域的变量时才起作用。例如，如果 Lambda 使用了外部的 int y，才会涉及捕获方式。

Lambda 表达式的实现原理：

Lambda 表达式实际上是编译器生成的匿名类的实例（称为闭包对象）。例如：

auto func = [x]() { return x * 2; };

编译器会生成类似以下的类：

class Lambda {int x;  // 捕获的变量
public:Lambda(int x_) : x(x_) {}int operator()() const { return x * 2; } // 重载函数调用操作符，operator() 是重载的函数调用操作符，() 表示这个操作符不接受参数（空参数列表），int 是返回值类型，表示调用这个操作符会返回一个整数，const 表示这个成员函数不会修改对象的状态（x 不会被改变）。
};

调用 func() 实际上是调用这个类的 operator()。这解释了 Lambda 为什么可以像函数一样使用。

Lambda 的常见用途：

1.标准库算法：与 <algorithm> 配合，例如 std::sort、std::for_each。

std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5};
std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) { return a < b; });

2.异步编程：与 std::async 或线程配合。

auto task = []() { std::cout << "Running task\n"; };
std::async(std::launch::async, task);

3.回调函数：传递给需要回调的函数。

auto callback = [](int x) { std::cout << "Callback: " << x << "\n"; };
someFunction(callback);

4.立即执行（IIFE，Immediately Invoked Function Expression）：

int result = []() { return 42; }();  // 立即调用，result = 42

按引用捕获时，确保捕获的变量在 Lambda 使用时仍然有效。错误用法：

auto createLambda() {int x = 10;return [&x]() { return x; };  // 悬垂引用，x 在函数返回后销毁
}

按值捕获会复制变量，可能会增加内存开销。对于大对象，考虑按引用捕获或使用 std::move（C++11 起支持移动捕获，C++14 增强）。

C++14 支持泛型 Lambda（auto 参数）和初始化捕获。

auto lambda = [y = 10](auto x) { return x + y; };  // 初始化捕获

在类成员函数中，Lambda 表达式可以通过 [this] 捕获当前对象的指针，或者通过 [&] 隐式捕获 this。然而，这会导致 Lambda 持有指向对象的引用，如果对象在 Lambda 调用时被销毁，会导致未定义行为（悬垂指针）。C++17 引入了 [*this]，允许 Lambda 按值捕获当前对象的副本，从而避免悬垂引用问题。适合需要延长对象生命周期的场景，例如异步回调或线程中。

示例：

#include <iostream>
#include <functional>struct Example {int x = 10;void createLambda() {// 使用 [*this] 捕获对象副本auto lambda = [*this]() {std::cout << "Lambda: x = " << x << "\n";// 修改 x 不影响原始对象x = 20;std::cout << "Lambda modified: x = " << x << "\n";};// 调用 Lambdalambda();// 原始对象的 x 未改变std::cout << "Original: x = " << x << "\n";}// 模拟异步回调std::function<void()> createAsyncCallback() {// 返回 Lambda，捕获 [*this]return [*this]() {std::cout << "Async callback: x = " << x << "\n";};}
};int main() {// 测试 [*this] 捕获Example obj;obj.createLambda();// 测试异步场景auto callback = obj.createAsyncCallback();// obj 销毁后，callback 仍然有效，因为它持有 obj 的副本callback();return 0;
}

输出：

Lambda: x = 10
Lambda modified: x = 20
Original: x = 10
Async callback: x = 10

在 C++11 到 C++17 中，Lambda 表达式生成的闭包类型没有默认构造函数，且不能直接赋值（即使 Lambda 是无状态的，即不捕获任何变量）。这限制了 Lambda 在某些场景下的使用，例如存储在需要默认构造或赋值的容器中。C++20 放宽了这一限制，允许无状态 Lambda（不捕获任何变量的 Lambda）具有默认构造函数和赋值操作符。便于在容器（如 std::vector）、可选类型（如 std::optional）或需要默认构造的场景中使用。

特点：

1.无状态 Lambda：指 Lambda 表达式不捕获任何变量（[] 为空，且函数体不依赖外部变量）。

2.默认构造：C++20 允许无状态 Lambda 的闭包类型有默认构造函数，可以创建未初始化的闭包对象。

3.赋值：无状态 Lambda 可以相互赋值，因为它们的行为完全由代码定义，不依赖捕获的状态。

示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <optional>int main() {// 定义一个无状态 Lambda，lambda 不捕获任何变量（[]），因此是无状态的，行为完全由函数体 { return 42; } 定义。auto lambda = []() { return 42; };// 默认构造无状态 Lambda（C++20），decltype(lambda) defaultLambda; 创建一个默认构造的闭包对象，行为与 lambda 相同。decltype(lambda) defaultLambda; // 默认构造std::cout << "Default constructed Lambda: " << defaultLambda() << "\n";// 赋值（C++20），assignedLambda = lambda; 将 lambda 的行为复制到 assignedLambda，这是 C++20 新增的功能。decltype(lambda) assignedLambda;assignedLambda = lambda; // 赋值操作std::cout << "Assigned Lambda: " << assignedLambda() << "\n";// 存储在容器中，std::vector 和 std::optional 可以存储无状态 Lambda，因为它们支持默认构造和赋值。std::vector<decltype(lambda)> lambdaVector(3); // 默认构造 3 个 Lambdafor (const auto& l : lambdaVector) {std::cout << "Vector Lambda: " << l() << "\n";}// 使用 std::optionalstd::optional<decltype(lambda)> optionalLambda;optionalLambda = lambda; // 赋值if (optionalLambda) {std::cout << "Optional Lambda: " << optionalLambda.value()() << "\n";}return 0;
}

输出：

Default constructed Lambda: 42
Assigned Lambda: 42
Vector Lambda: 42
Vector Lambda: 42
Vector Lambda: 42
Optional Lambda: 42

如果 Lambda 捕获变量（有状态 Lambda），则无法使用默认构造或赋值，因为它们的行为依赖捕获的变量。

int x = 10;
auto statefulLambda = [x]() { return x; };
decltype(statefulLambda) defaultLambda; // 错误：无默认构造函数
statefulLambda = statefulLambda; // 错误：无赋值操作符