C++函数式编程黑魔法:Lambda与包装器实战全解析
- 一. lambda表达式
- 1.1 仿函数使用
- 1.2 lambda表达式的语法
- 1.3 lambda表达式使用
- 1.3.1 传值和传引用捕捉
- 1.3.2 隐式捕捉
- 1.3.3 混合捕捉
 
- 1.4 lambda表达式原理
- 1.5 lambda优点及建议
 
- 二. 包装器
- 2.1 function
- 2.2 bind绑定
 
- 三. 最后
一. lambda表达式
lambda可以像仿函数一样传给函数,像sort,它的优势在于代码清晰度高,且简便,它的本质是一个匿名对象。它没有类型,可以使用auto接收推导类型。
1.1 仿函数使用
仿函数作为对象,控制sort排升序还是降序。
#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;
struct cmpGreater
{
	bool operator()(int X, int Y)
	{
		return X > Y;
	}
};
struct cmpLess
{
	bool operator()(int X, int Y)
	{
		return X < Y;
	}
};
int main()
{
	vector<int> arr{ 10,4,2,6,7,3,8,0,1,5,9 };
	//仿函数传递对象
	sort(arr.begin(), arr.end(), cmpLess());//降序
	for (auto e : arr)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	sort(arr.begin(), arr.end(), cmpGreater());//降序
	for (auto e : arr)
		cout << e << " ";
	return 0;
}
创建vector对象,通过sort排序,仿函数控制升序行为。
- 输出结果:

上面已经说过lambda也可以完成仿函数的行为,下面展示一下。
#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> arr{ 10,4,2,6,7,3,8,0,1,5,9 };
	//lambda表达式
	//升序
	sort(arr.begin(), arr.end(), [](int x, int y)-> int {return x > y; });//升序
	for (auto e : arr)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	//降序
	sort(arr.begin(), arr.end(), [](int x, int y)-> int {return x < y; });//降序
	for (auto e : arr)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
	return 0;
}
输出结果:
 
 sort函数使用lambda代替仿函数,从结果可以看出一样完成一样的功能。
1.2 lambda表达式的语法
C/C++ lambda 语法格式:
[capture-list] (parameters)-> return type { function boby };
解释:
- [Capture List] :捕捉列表,用于定义Lambda如何访问外部作用域的变量。
- (Parameters): 参数列表定义 Lambda的输入参数。
- ->return type :返回值类型,⽤追踪返回类型形式声明函数的返回值类型,没有返回值时此
 部分可省略。⼀般返回值类型明确情况下,也可省略,由编译器对返回类型进⾏推导。
- {function boby} :函数体,函数体内的实现跟普通函数完全类似,在该函数体内,除了可以
 使⽤其参数外,还可以使⽤所有捕获到的变量,函数体为空也不能省略。

 其中,参数列表,mutable,-> returntype可以省略。
- 省略参数列表,表示当前是一个无参的参数对象。
- 省略mutable,表示捕捉的对象保持其常性。
- 省略->returntype,返回值类型由编译器自动推导。
注意:捕捉列表和函数体不可省略,很容易理解。也就是说最基本的 lambda 表达式 只需要写 [ ]{ }
int main()
{
	//最简单的lambda表达式
	[] {};
	return 0;
}
此时表达式相当于返回值为空,参数为空,函数体为空的匿名对象。
void func()  {  };
lambda表达式本质是匿名对象,而func是一个有名对象,直接调用即可。
1.3 lambda表达式使用
上面说过lambda是匿名对象,该对象出了作用域(当前行)就销毁了,其它作用域无法使用它。
 lambda只允许使用函数体及参数中的变量,要想使用外层变量,此时就需要捕捉。
 捕捉分为,值捕捉,引用捕捉,隐式捕捉,全捕捉,即混合捕捉等。
1.3.1 传值和传引用捕捉
下面通过写代码,看看编译器现象。
 在lambda表达式外定义几个变量,看看lambda表达式是否能使用???
 
 需要捕捉,先进行值捕捉,看看现象。
#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;
int main()
{
	int x = 10, y = 20;
	[x](int a, int b)//当前作用域调用该匿名对象
		{
			a++;
			b++;
			x;
			cout << "x = " << x << endl;
		}(10,20);
	auto ret1 = [x](int a, int b)//使用对象构建lambda表达式
		{
			a++;
			b++;
			x;
			cout << "x = " << x << endl;
		};
	ret1(20, 30);
	return 0;
}
输出结果:
 
 下面我们对捕捉的对象进行修改,看看行不行???
 
 从上图可以看出编译器报错,不支持,我们就需要修改呢,有没有办法???
 有的兄弟,有的,可以是用mutable关键字,加在参数列表即可。默认捕捉的值具有常性。
- 功能:捕捉的值可以去除该值的常性。
int main()
{
	int x = 10, y = 20;
	[x](int a, int b)//当前作用域调用该匿名对象
	mutable	{
			a++;
			b++;
			x++;
			cout << "x = " << x << endl;
		}(10, 20);
		return 0;
}

 从结果可以看出该值进行了自增。且不是该对象的拷贝对象。
 还有其它的方法也可以完成该功能:传引用捕捉。
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
int main()
{
	int x = 10, y = 20;
	//传引用捕捉
	[&x](int a, int b)//当前作用域调用该匿名对象
	{
		a++;
		b++;
		x++;
		cout << "x = " << x << endl;
	}(10, 20);
	return 0;
}
一样的输出结果。
 
1.3.2 隐式捕捉
在捕捉列表显示写个 = ,表示为隐式捕捉,我们用了哪些变量就捕捉哪些变量,该行为编译器会自动推导。
#include<vector>
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
int main()
{
	int x = 10, y = 20,a=30,b=40,z=50;
	//隐式引用捕捉
	[=]()
	{
		int ret = x + y + a;
		cout << "ret = " << ret << endl;
	}();
	//等价于
	auto ret = [=](){ int ret = x + y + a; cout << "ret = " << ret << endl;};
	ret();
	return 0;
}
输出结果:
 
 隐式捕捉好处在于代码简洁,提升代码表达力的利器。
1.3.3 混合捕捉
显示捕捉分为传值捕捉和传引用捕捉。混合捕捉是隐式捕捉和显示捕捉的混合体。
 规则:
- 当使用混合捕捉时,第一个元素必须是&或=。
- &混合捕捉时,后面的捕捉变量必须是值捕捉。
- =混合捕捉时,后面的捕捉变量必须是引用捕捉。
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10, b = 20, c = 30, d = 90, x = 1, y = 2, z = 3;
	//混合捕捉,第1个为隐式捕捉
	auto ret = [=,&a,&b](){
		a++;
		b++;
		int ret = a + b + x + y;
		cout << "ret= " << ret << endl;
		return ret;
		};
	ret();
	cout << "之前: x = " << x << ", y = " << y << endl;
	//混合捕捉,第1个为隐式捕捉
	auto ret1 = [&, a, b]() {
		x++;
		y++;
		int ret = a + b + x + y;
		cout << "之后: ";
		cout << "x = " << x <<", y = " << y << endl;
		return ret;
		};
	ret1();
	return 0;
}
输出结果:
 
 从结果可以看出x和y都进行自增,符合预期行为。
 注意:局部静态变量和全局变量不需要捕捉,强行捕捉会报错。
- 报错示例:

 默认情况下, lambda 捕捉列表是被const修饰的,也就是说传值捕捉的过来的对象不能修改,mutable加在参数列表的后⾯可以取消其常量性,也就说使⽤该修饰符后,传值捕捉的对象就可以修改了,但是修改还是形参对象,不会影响实参。
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
int main()
{
	int x = 10;
	[x]() mutable{
		x++;
		cout << "lambda表达式里的x = " << x << endl;
		return x; }();
	cout << "lambda表达式外的x = " << x << endl;
}

 从结果可以看出x并没有改变,捕捉的对象确实是存储在lambda表达式中临时对象。
 当lambda表达式定义在全局变量捕捉列表必须为空,因为没有其它的变量可以被捉到。
1.4 lambda表达式原理
lambda对象的大小。
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
//普通函数
int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
//仿函数
struct ADD
{
	int operator()(int x, int y)
	{
		return x + y;
	};
};
int main()
{
	auto typec = add;
	ADD add1;
	auto ret = [](int x, int y) {return x + y; };
	cout << "普通函数: " << sizeof(typec) << endl;
	cout << "仿函数: " << sizeof(add1) << endl;
	cout << "lambda表达式: " << sizeof(ret) << endl;
	return 0;
}

 可以看出lambda表达式对象与仿函数一样都是大小都是1字节。空类(没有成员变量)独占1个字节。
 VS2022两者汇编代码:
 
 可以看出汇编代码完全一致,所以编译器就是把lambda表达式当做仿函数。
 结论:lambda 表达式 本质上就是一个 仿函数。
1.5 lambda优点及建议
- 代码简洁性革命
- 减少模板代码:替代单方法接口的匿名类(如Java的Runnable),代码量减少50%-70%
- 内联逻辑封装:在算法中间件(如std::sort的比较函数)中直接嵌入逻辑,避免上下文切换
- 函数式编程加速器
- 高阶函数支持:天然适配map/filter/reduce等操作,实现链式数据处理流水线
- 不可变数据:强制以表达式形式返回值,天然支持无副作用编程
- 延迟执行专家
- 回调封装:在GUI事件处理、异步编程中封装待执行逻辑
- 策略模式实现:动态替换算法逻辑(如Java的Comparator接口)
- 并发编程利器
- 无状态共享:天然适配并行流(如Java的parallelStream())
- 线程安全默认:值捕获([=])创建的副本天然隔离线程间数据
最佳实践:Lambda表达式是现代编程的瑞士军刀,但需遵循"3行法则":超过3行的逻辑应重构为具名函数。合理使用可显著提升代码表现力,但需在简洁性与可维护性间找到平衡点。建议从简单场景开始实践,逐步掌握其高级特性,并始终关注变量作用域和线程安全性。
二. 包装器
包装器分为函数包装器和类包装器。
2.1 function
一个结构一致的函数,lambda表达式基本相同。
// 普通函数
void func(int n)
{
	cout << "void func(int n): " << n << endl;
}
// 仿函数
struct Func
{
public:
	void operator()(int n)
	{
		cout << "void operator()(int n): " << n << endl;
	}
};
// lambda 表达式
auto lambda = [](int n)->void
	{
		cout << "[](int n)->void: " << n << endl;
	};
int main()
{
	void(*pf)(int);//函数指针
	pf = func;//函数名本身就是函数的地址
	pf(10);
	//Func f;//类实例化出对象
	//pf = f;//error
	pf = lambda;
	pf(20);
	return 0;
}
输出结果:
 
可以看出函数指针无法指向类对象,仿函数对象。
 有没有什么东西可以完成该功能。包装器就是解药。
 function就是一个类模版,可以包装任何对象,包括函数指针、仿函数、lambda、宾得表达式等。
 function是基于 可变模版参数 实现的,原型如下:
template <class Ret, class… Args>
class function<Ret(Args…)>;
其中Ret是返回值类型,Args为模版参数包,表示传给函数的参数,function 模板类通过 模板特化 指明了包装的函数对象类型。
 注意:使用function前,需要包含头文件
int main()
{
	// 包装器
	function<void(int)> f;
	f = func;
	f(10);
	f = Func();
	f(20);
	f = lambda;
	f(30);
	return 0;
}

 function还可以包装 类内成员函数。
 包装静态成员函数相对较简单,只需指明类域即可。
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<functional>
using namespace std;
class Plus
{
public:
	Plus(int n = 10)
		:_n(n)
	{}
	static int plusi(int a, int b)
	{
		return a + b;
	}
	double plusd(double a, double b)
	{
		return (a + b) * _n;
	}
private:
		int _n;
};
int main()
{
	function<int(int,int)> f = Plus::plusi;
	//function<int(int,int)> f = &Plus::plusi;//correct
	cout << "f(10, 20) = " << f(10, 20) << endl;
	return 0;
}

 下面进行包装静态成员函数,相对复杂一点。使用上述方法会报错。
 
 解决办法:在包装时,指定第一个参数为类,并且需要取地址。
function<double(Plus,double, double)> f = &Plus::plusd;//因为成员函数还多了个this指针,这个&不可省略
//匿名对象
f(Plus(), 10, 20);
//普通对象
Plus p;
f(p, 10, 20);
return 0;

- 细节:为什么包装静态成员函数不需要取地址,而非静态成员函数需要取地址???
非静态成员函数必须通过&Plus::plusd、显式获取成员函数指针,并通过std::bind、Lambda或std::mem_fn绑定对象实例,否则无法直接调用。
- 本质区别:

 当第一参数设置为类的指针时,看看现象。
 
 第一个参数设置为指针,普通函数可以,对于匿名对象就不可以。
 再将第一参数设置为引用版本看看,能不能解决问题。
 
 可能有人会想第一个参数用const修饰,但是会导致普通的对象无法使用,因为涉及权限放大,从非const到const的放大。
最佳实践:将第一个参数设置为普通的类即可。
2.2 bind绑定
bind 是⼀个函数模板,它也是⼀个可调⽤对象的包装器,可以把他看做⼀个函数适配器,对接收
 的fn可调⽤对象进⾏处理后返回⼀个可调⽤对象。 bind 可以⽤来调整参数个数和参数顺序。
 bind 也在这个头⽂件中。
 原型:
template <class Fn, class... Args>
bind (Fn&& fn, Args&&... args);
fn 是传递的 函数对象,args 是传给函数的 可变参数包,这里使用了 万能引用(引用折叠),使其在进行模板类型推导时,既能引用左值,也能引用右值。
 使用bind改变参数顺序。
void func(int x, int y)
{
	cout << "void func(int x, int y)" << x << " " << y << endl;
}
int main()
{
	//正常调用
	func(10, 20);
	auto ret = bind(func, -2,-1);
	ret(10, 20);
	return 0;
}

 输出结果好像不对,因为没有指定类域,导致-2,-1传递给函数。现在指定一下。
 placeholders::_2, placeholders::_1

 结果好像是对的。
bind的底层是仿函数,通过bind绑定的函数将参数根据用户指定的行为传递给函数,函数做出行为。
bind主要作用用于指定参数的个数。
下面我们将第一个参数指定。
int main()
{
	auto f = bind(func, 100, placeholders::_1);
	f(10);
	f(10, 20);
	return 0;
}
此时如果坚持传递参数,会优先使用绑定的参数,再从函数参数列表中,从左到右选择参数进行传递,直到参数数量符合,比如这里第二次调用虽然传递了 10 和 20,但实际调用 Func 时,RFunc 会先传递之前绑定的值 100 作为参数1传递,而 10 会作为参数2传递,至于 20 会被丢弃。
 
 这里的不能这样写 auto f = bind(func, 100, placeholders::_2);因为参数的个数不满足。
看到上面没都要传递类对象,而bind的引入将一个参数类绑死就不需要传入。
class MyClass {
public:
    void memberFunc(int a, int b) {
        cout << "a = " << a << ", b = " << b << endl;
    }
};
int main() {
    MyClass obj;
    // 绑定类成员函数,固定第一个参数为100
    auto bound_func = bind(&MyClass::memberFunc, &obj, 100, _1);
    // 调用绑定后的函数:只需传递第二个参数(原函数的第二个参数)
    bound_func(200); // 输出:a = 100, b = 200
    return 0;
}
输出结果:
 
 就不需要手动每次都传递对象。下面看需要传递的麻烦处。
class MyClass {
public:
    void memberFunc(int a, int b) {
        cout << "a = " << a << ", b = " << b
            << ", this = " << this << endl;
    }
};
int main() {
    MyClass obj1, obj2;
    // 绑定成员函数,但保留对象实例的位置为占位符
    auto bound_func = bind(&MyClass::memberFunc, _1, 100, _2);
    // 调用时需显式传递对象实例和其他参数
    bound_func(obj1, 200); // 输出:a = 100, b = 200, this = 0x7ffd...(obj1的地址)
    bound_func(obj2, 300); // 输出:a = 100, b = 300, this = 0x7ffd...(obj2的地址)
    return 0;
}
三. 最后
本文深入解析了C++中lambda表达式与函数包装器的核心机制及实践应用。lambda作为匿名函数对象,通过值/引用/隐式/混合捕捉实现灵活作用域访问,本质是编译器生成的仿函数,支持代码内联封装与函数式编程范式。std::function作为统一调用包装器,可封装普通函数、仿函数、lambda及成员函数,解决函数指针类型限制问题。std::bind通过参数重排与对象绑定实现接口适配,尤其适用于回调场景。三者协同可显著提升代码简洁性,在算法排序、事件处理等场景中简化模板代码,平衡开发效率与可维护性,是现代C++函数式编程的重要工具链。关于线程的部分后面再补充。,也重要



















