C++面試題：C++11 引入 Lambda 解決什么問題？
在 C++11 之前，若要在算法中傳遞自定義邏輯（如std::sort的比較函數(shù)），需通過函數(shù)指針或函數(shù)對象（仿函數(shù)）實現(xiàn)。
一、C++11 引入了 Lambda
1. Lambda 的通用語法為：
[捕獲列表](參數(shù)列表) mutable(可選) noexcept(可選) -> 返回類型 { 函數(shù)體 }2. 關鍵組成部分
(1) 捕獲列表（Capture List）控制 Lambda 如何訪問外部變量：
- [=]：以值捕獲外部變量（默認不可修改，需mutable）。
- [&]：以引用捕獲外部變量（需注意變量生命周期）?！?/li>
- [var]或[&var]：顯式指定捕獲單個變量?！?/li>
示例：
int x = 10;
auto lambda = [x](int y) { return x + y; }; // 值捕獲x(2) 參數(shù)列表與函數(shù)體與普通函數(shù)類似，但參數(shù)可為空（[ ]）或省略返回類型（編譯器自動推導）?！?/p>
(3) mutable 關鍵字允許修改值捕獲的變量（默認 Lambda 的 operator（） 是 const 成員函數(shù)，因此無法修改值捕獲的變量）?！?/p>
3. 底層實現(xiàn)原理
Lambda 在底層被編譯器轉換為匿名類，其核心機制如下：
- 捕獲的變量：作為類的成員變量存儲。
- 重載的 operator()：作為類的成員函數(shù)，實現(xiàn) Lambda 的函數(shù)體邏輯。
示例：
// Lambda表達式
auto lambda = [x](int y) { return x + y; };
// 等效的匿名類
class __AnonymousClass {
public:
__AnonymousClass(int x) : x(x) {}
int operator()(int y) const { return x + y; }
private:
int x;
};二、C++11 之前的兩種方式存在以下問題
第一：函數(shù)指針無法直接捕獲上下文變量，功能受限。
函數(shù)指針無法捕獲上下文變量，只能依賴全局或靜態(tài)變量，導致代碼耦合且不安全?！?/p>
(1) 示例：使用函數(shù)指針實現(xiàn)回調
#include <iostream>
// 全局變量（用于傳遞上下文）
int threshold = 5;
// 函數(shù)指針類型
typedefbool(*FilterFunc)(int);
// 過濾函數(shù)（檢查是否大于閾值）
boolisGreaterThanThreshold(int x){
return x > threshold;
}
// 使用回調的函數(shù)
voidfilterNumbers(const std::vector<int>& nums, FilterFunc func){
for (int x : nums) {
if (func(x)) {
std::cout << x << " ";
}
}
}
intmain(){
std::vector<int> nums = { 2, 7, 3, 9 };
filterNumbers(nums, isGreaterThanThreshold); // 輸出7 9
return0;
}問題：
- 依賴全局變量threshold，導致代碼難以維護和線程不安全。
- 若需要動態(tài)調整threshold，必須修改全局狀態(tài)，破壞封裝性。
(2) Lamda 替代函數(shù)指針（捕獲上下文）
#include <iostream>
#include <vector>
#include <functional> // 需要包含此頭文件
voidfilterNumbers(const std::vector<int>& nums, std::function<bool(int)> func){
for (int x : nums) {
if (func(x)) {
std::cout << x << " ";
}
}
}
intmain(){
std::vector<int> nums = { 2, 7, 3, 9 };
int threshold = 5;
// Lambda可正常捕獲局部變量
filterNumbers(nums, [threshold](int x) { return x > threshold; });
// 輸出：7 9
return0;
}優(yōu)勢：
- 直接捕獲局部變量threshold，無需全局變量?！?/li>
- 避免全局狀態(tài)污染，代碼更安全、可維護?！?/li>
第二：函數(shù)對象：需定義類并重載operator()，導致代碼冗余。
在 C++11 之前，若想傳遞一個自定義邏輯（例如給std::sort指定排序規(guī)則），必須定義一個類并重載operator()，導致代碼冗余?！?/p>
(1) 示例：使用仿函數(shù)實現(xiàn)自定義排序
#include <vector>
#include <algorithm>
// 定義一個仿函數(shù)類（比較規(guī)則：按絕對值升序）
structCompareAbsolute {
booloperator()(int a, int b)const{
returnabs(a) < abs(b);
}
};
intmain(){
std::vector<int> nums = { -3, 1, -5, 4 };
// 使用仿函數(shù)對象作為排序規(guī)則
std::sort(nums.begin(), nums.end(), CompareAbsolute());
// 結果：1, -3, 4, -5（按絕對值排序）
return0;
}問題：
- 需要為每個簡單邏輯定義一個完整的類?！?/li>
- 若需多個不同的比較規(guī)則，需定義多個類，代碼冗余嚴重。
(2) Lamda 替代仿函數(shù)
#include <vector>
#include <algorithm>
int main() {
std::vector<int> nums = { -3, 1, -5, 4 };
// 直接使用Lambda作為排序規(guī)則
std::sort(nums.begin(), nums.end(), [](int a, int b) {
return abs(a) < abs(b);
});
// 結果：1, -3, 4, -5
return 0;
}優(yōu)勢：
- 無需定義單獨的類，代碼更緊湊。
- 邏輯直接內聯(lián)，可讀性更強（但是也得看習慣了，剛接觸可能覺得讀的不順暢）?！?/li>
三、方式對比總結
特性 | 函數(shù)對象（Functors） | 函數(shù)指針 | Lambda |
代碼冗余 | 需定義類，代碼冗余 | 無 | 直接內聯(lián)，無冗余 |
上下文捕獲 | 通過類成員變量間接實現(xiàn) | 無法捕獲，依賴全局變量 | 支持直接捕獲局部變量 |
靈活性 | 需預先定義多個類 | 只能使用全局/靜態(tài)變量 | 動態(tài)捕獲，邏輯更靈活 |
與 STL 算法結合 | 需要顯式實例化對象 | 不支持復雜邏輯 | 直接內聯(lián)，適配所有 STL 算法 |
四、注意事項
1. 懸空引用問題引用捕獲外部變量時，需確保變量的生命周期長于 Lambda
auto get_lambda() {
int x = 10;
return [&x]() { return x; }; // x已被銷毀，返回懸空引用！
}2. Lambda 表達式捕獲變量后無法隱式轉換為函數(shù)指針
C++ 標準（ISO/IEC 14882）在 §7.5.5 中明確指出：
A closure type for a non-generic lambda-expression with no lambda-capture has a public non-virtual non-explicit const conversion function to pointer to function having the same parameter and return types as the closure type’s function call operator. The value returned by this conversion function shall be the address of a function that, when invoked, has the same effect as invoking the closure type’s function call operator.
- 只有無捕獲的 Lambda 才能定義到函數(shù)指針的轉換函數(shù)?！?/li>
- 有捕獲的 Lambda 沒有這樣的轉換函數(shù)?！?/li>
下面的代碼編譯錯誤：
#include <iostream>
#include <vector>
voidfilterNumbers(const std::vector<int>& nums, bool (*func)(int)){
for (int x : nums) {
if (func(x)) {
std::cout << x << " ";
}
}
}
intmain(){
std::vector<int> nums = { 2, 7, 3, 9 };
int threshold = 5; // 局部變量
// 使用Lambda捕獲局部變量threshold
filterNumbers(nums, [threshold](int x) {
return x > threshold;
}); // 輸出7 9
return0;
}在 C++中，只有無狀態(tài) Lambda（不捕獲任何變量）可以隱式轉換為函數(shù)指針。一旦 Lambda 捕獲了局部變量（如threshold），它就變成了一個有狀態(tài)的閉包對象，類型不再是普通函數(shù)指針。
代碼中：
filterNumbers(nums, [threshold](int x) { ... }); // 傳遞有捕獲的Lambda而filterNumbers的第二個參數(shù)是函數(shù)指針類型：
void filterNumbers(..., bool (*func)(int)) { ... }這會導致類型不匹配，編譯失敗?！?/p>
(1) 為什么無捕獲的 Lambda 可以轉換為函數(shù)指針？
函數(shù)指針本質（如 bool (*func)(int)）是一個指向獨立函數(shù)的指針，它不攜帶任何狀態(tài)（即沒有成員變量），且調用時不需要 this 指針?！?/p>
它的特點是：
- 函數(shù)指針無法保存成員變量（如 Lambda 捕獲的變量）?！?/li>
- 函數(shù)指針的調用約定是固定的（如參數(shù)和返回類型），無法適配閉包對象的 operator()。
當 Lambda 不捕獲任何變量時，生成的閉包類沒有成員變量，根據C++ 標準，operator() 可能會被優(yōu)化成類似靜態(tài)成員函數(shù)。此時，Lambda 可以隱式轉換為函數(shù)指針。
示例：
auto lambda = [](int a) { return a * 2; };
int (*funcPtr)(int) = lambda; // 合法：無捕獲的 Lambda編譯器生成的閉包類近似為：
class __AnonymousLambdaClass {
public:
static int operator()(int a) { // 靜態(tài)成員函數(shù)
return a * 2;
}
};靜態(tài)成員函數(shù)不需要 this 指針，因此可以匹配函數(shù)指針類型?！?/p>
(2) 有捕獲的 Lambda 為什么不能轉換？
當 Lambda 捕獲變量時，閉包類的 operator（） 是一個非靜態(tài)成員函數(shù)，調用時需
要 this 指針訪問捕獲的成員變量。這與函數(shù)指針的調用約定不兼容?！?/p>
示例：
int x = 10;
auto lambda = [x](int a) { return a + x; };
int (*funcPtr)(int) = lambda; // 編譯錯誤！編譯器生成的閉包類：
class __AnonymousLambdaClass {
private:
int x;
public:
__AnonymousLambdaClass(int x) : x(x) {}
// 非靜態(tài)成員函數(shù)，隱含 this 指針
int operator()(int a) const {
return a + x;
}
};operator（） 必須通過閉包對象（this 指針）調用，無法直接轉換為函數(shù)指針?！?/p>
五、總結
Lambda 的核心價值在于提供一種簡潔、安全的方式定義匿名函數(shù)，尤其適用于：
- 快速實現(xiàn)回調函數(shù)?！?/li>
- 簡化 STL 算法的使用?！?/li>
- 捕獲局部變量實現(xiàn)靈活邏輯。
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