C++中lambda表达式的使用及注意事项

在C++中一共有四种可调用对象，分别是函数，函数指针，仿函数，和lambda表达式，本文将从lambda表达式的定义形式开始，到lambda表达式的使用场景，向你讲述lambda的使用及注意事项。

lambda表达式的定义形式

[capture list] (parameter list)->return type{function body}

从上面的表达式我们可以看出lambda表达式主要分为四部分

捕获列表：定义了lambda表达式可以从创建它的作用域中捕获哪些变量以及如何捕获（值捕获或引用捕获）。
参数列表：和普通函数一样，用于定义输入参数。
返回类型：可选项，如果省略，编译器会根据函数体中的返回语句自动推导返回类型。
函数体：包含实现lambda功能的代码块。

其中参数列表、返回类型、函数体都可以类似于普通的函数去理解，似乎lambda就是一个普通的匿名函数（虽然它确实是）。但是捕获列表具体是什么，似乎还是有些晦涩。

捕获列表

捕获列表的种类主要有：

[] 不捕获任何外部变量。
[x, &y] 按值捕获变量x，按引用捕获变量y。
[=] 按值捕获所有外部变量。
[&] 按引用捕获所有外部变量。
[this] 捕获当前类的this指针，使得可以访问类的成员变量和成员函数。

从上面的种类来看上捕获列表在lambda表达式中的作用有点类似于全局变量在普通函数中的作用，但两者之间存在一些关键的区别和限制：

捕获列表的特点

有限作用域：lambda的捕获列表仅能捕获定义lambda的那个作用域内的变量。这与全局变量不同，后者在整个程序中都是可见的。
显式声明：你必须在捕获列表中显式指定lambda可以访问哪些变量以及如何访问（按值或按引用）。这增加了代码的可读性和可维护性，因为你可以一眼看出lambda依赖哪些外部变量。
选择性捕获：可以选择仅捕获需要的变量，而不是自动拥有访问所有外部变量的权限。这有助于限制lambda内部的操作，防止意外修改不应该修改的变量。
不同捕获方式：可以按值捕获，也可以按引用捕获。按值捕获可以防止原始数据被意外修改，按引用捕获则可以减少数据复制的开销，并允许lambda修改原始数据。

相比全局变量的优势

减少依赖和副作用：使用捕获列表可以明确地限定lambda表达式的作用域和依赖，避免了全局变量可能带来的不可预测的侧面影响。
提高代码的封装性和安全性：通过限定访问特定变量的权限，你可以更安全地管理代码中的数据流和状态变化，减少bug的产生。
增强代码的模块性：lambda表达式通常用于实现具体的、局部的功能，与全局变量相比，这种方式可以更好地封装功能，便于功能间的解耦和重用。

总结来说，虽然捕获列表在某种意义上与全局变量具有可比性，特别是在变量的可访问性方面，但lambda表达式通过其独特的设计，提供了更大的灵活性和更强的安全保障，使得代码更加健壮和易于维护。

lambda表达式的使用

在lambda表达式中，我们可以忽略参数列表和返回类型，但是必须永远包含捕捉列表和函数体。

auto f=[]{return 1;};

在这个例子中我们定义了一个可调用对象f，它不接受参数返回1；它的调用方式和普通函数一样，

std::cout<<f()<<std::endl;

lambda的使用场景

1. STL算法

Lambda表达式常用于标准模板库（STL）的算法中，作为自定义操作的参数。例如，使用std::sort()、std::for_each()、std::transform()等算法时，可以用lambda表达式来定义比较函数或操作函数。

cppCopy codestd::vector<int> v = {4, 1, 3, 5, 2};
std::sort(v.begin(), v.end(), [](int a, int b) { return a > b; }); // 降序排序
std::for_each(v.begin(), v.end(), [](int x) { std::cout << x << " "; }); // 输出

2. 作为回调函数

在需要传递回调函数的场合，lambda表达式提供了一种快捷方便的方式来实现。比如在GUI编程或事件驱动编程中，可以用lambda来响应事件，如按钮点击等。

cpp
Copy code
button.onClick([](){ std::cout << "Button clicked!" << std::endl; });

3. 封装代码块

Lambda表达式可以封装一段只在特定上下文中运行的代码，使得整个代码结构更清晰。例如，你可能需要多次执行某个复杂的计算或操作，通过将这些操作封装在一个lambda中，可以简化代码的重用。

cppCopy codeauto complexOperation = []() {// 执行复杂操作std::cout << "Operation done!" << std::endl;
};
complexOperation(); // 调用

4. 延迟计算

Lambda表达式常用于实现延迟计算，尤其是在函数式编程范式中。这包括延迟执行某些操作直到真正需要它们的结果为止，有助于优化性能和资源使用。

cppCopy codeauto lazyValue = [](int x) { return x * x; };
std::cout << "Computed value: " << lazyValue(5); // 只在需要时计算

5. 替代函数对象

在C++11之前，通常使用函数对象（functors）来实现类似的功能。Lambda表达式提供了一种更加简洁和直观的方式来替代函数对象，特别是在需要传递简短的操作时。

cppCopy codestd::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
std::transform(numbers.begin(), numbers.end(), numbers.begin(), [](int n) { return n * n; });

6. 简化异步编程

在使用异步编程模式，如C++11中的std::async或其他并发编程工具时，lambda表达式可以作为简单的任务封装方式使用，以便在后台线程中执行。

cppCopy codeauto future = std::async(std::launch::async, []() {return fetchDataFromDB("query"); // 假设的数据库查询函数
});

通过这些示例和解释，可以看出lambda表达式如何在各种不同的场景下提供代码封装、简化和性能优化的优势。随着C++标准的不断发展，lambda表达式的使用场景和功能也在持续扩展。