你好，我是吴咏炜。
本讲我们将介绍函数对象，尤其是匿名函数对象——lambda 表达式。今天的内容说难不难，但可能跟你的日常思维方式有较大的区别，建议你一定要试验一下文中的代码（使用 xeus-cling 的同学要注意：xeus-cling 似乎不太喜欢有 lambda 的代码😓；遇到有问题时，还是只能回到普通的编译执行方式了）。
C++98 的函数对象
函数对象（function object）[1] 自 C++98 开始就已经被标准化了。从概念上来说，函数对象是一个可以被当作函数来用的对象。它有时也会被叫做 functor，但这个术语在范畴论里有着完全不同的含义，还是不用为妙——否则玩函数式编程的人可能会朝着你大皱眉头的。
下面的代码定义了一个简单的加 n 的函数对象类（根据一般的惯例，我们使用了 struct 关键字而不是 class 关键字）：
struct adder {
adder(int n) : n_(n) {}
int operator()(int x) const
{
return x + n_;
}
private:
int n_;
};
它看起来相当普通，唯一有点特别的地方就是定义了一个 operator()，这个运算符允许我们像调用函数一样使用小括号的语法。随后，我们可以定义一个实际的函数对象，如 C++11 形式的：
auto add_2 = adder(2);
或 C++98 形式的：
adder add_2(2);
得到的结果 add_2 就可以当作一个函数来用了。你如果写下 add_2(5) 的话，就会得到结果 7。
C++98 里也定义了少数高阶函数：你可以传递一个函数对象过去，结果得到一个新的函数对象。最典型的也许是目前已经从 C++17 标准里移除的 bind1st 和 bind2nd 了（在 <functional> 头文件中提供）：
auto add_2 = bind2nd(plus<int>(), 2);
这样产生的 add_2 功能和前面相同，是把参数 2 当作第二个参数绑定到函数对象 plus<int>（它的 operator() 需要两个参数）上的结果。当然，auto 在 C++98 里是没有的，结果要赋给一个变量就有点别扭了，得写成：
binder2nd<plus<int> > add_2(
plus<int>(), 2);
因此，在 C++98 里我们通常会直接使用绑定的结果：
#include <algorithm>
#include <functional>
#include <vector>
using namespace std;
vector v{1, 2, 3, 4, 5};
transform(v.begin(), v.end(),
v.begin(),
bind2nd(plus<int>(), 2));
上面的代码会将容器里的每一项数值都加上 2（transform 函数模板在 <algorithm> 头文件中提供）。可以验证结果：
v
{ 3, 4, 5, 6, 7 }
函数的指针和引用
除非你用一个引用模板参数来捕捉函数类型，传递给一个函数的函数实参会退化成为一个函数指针。不管是函数指针还是函数引用，你也都可以当成函数对象来用。
假设我们有下面的函数定义：
int add_2(int x)
{
return x + 2;
};
如果我们有下面的模板声明：
template <typename T>
auto test1(T fn)
{
return fn(2);
}
template <typename T>
auto test2(T& fn)
{
return fn(2);
}
template <typename T>
auto test3(T* fn)
{
return (*fn)(2);
}
当我们拿 add_2 去调用这三个函数模板时，fn 的类型将分别被推导为 int (*)(int)、int (&)(int) 和 int (*)(int)。不管我们得到的是指针还是引用，我们都可以直接拿它当普通的函数用。当然，在函数指针的情况下，我们直接写 *value 也可以。因而上面三个函数拿 add_2 作为实参调用的结果都是 4。
很多接收函数对象的地方，也可以接收函数的指针或引用。但在个别情况下，需要通过函数对象的类型来区分函数对象的时候，就不能使用函数指针或引用了——原型相同的函数，它们的类型也是相同的。
Lambda 表达式
Lambda 表达式 [2] 是一个源自阿隆佐·邱奇（Alonzo Church）——艾伦·图灵（Alan Turing）的老师——的术语。邱奇创立了 λ 演算 [3]，后来被证明和图灵机是等价的。
我们先不看数学上的 λ 表达式，看一下上一节给出的代码在使用 lambda 表达式时可以如何简化。
auto add_2 = [](int x) {
return x + 2;
};
显然，定义 add_2 不再需要定义一个额外的类型了，我们可以直接写出它的定义。理解它只需要注意下面几点：
- Lambda 表达式以一对中括号开始（中括号中是可以有内容的；稍后我们再说）
- 跟函数定义一样，我们有参数列表
- 跟正常的函数定义一样，我们会有一个函数体，里面会有
return语句 - Lambda 表达式一般不需要说明返回值（相当于
auto）；有特殊情况需要说明时，则应使用箭头语法的方式（参见[第 8 讲]）：[](int x) -> int { … } - 每个 lambda 表达式都有一个全局唯一的类型，要精确捕捉 lambda 表达式到一个变量中，只能通过
auto声明的方式
当然，我们想要定义一个通用的 adder 也不难：
auto adder = [](int n) {
return [n](int x) {
return x + n;
};
};
这次我们直接返回了一个 lambda 表达式，并且中括号中写了 n 来捕获变量 n 的数值。这个函数的实际效果和前面的 adder 函数对象完全一致。也就是说，捕获 n 的效果相当于在一个函数对象中用成员变量存储其数值。
纯粹为了满足你可能有的好奇心，上面的 adder 相当于这样一个 λ 表达式：
$$
\mathrm{adder} = \lambda n.(\lambda x.(+ \ x \ n))
$$
如果你去学 Lisp 或 Scheme 的话，你就会发现这些语言和 λ 表达式几乎是一一映射了。在 C++ 里，表达虽然稍微啰嗦一点，但也比较接近了。用我上面的 adder ，就可以得到类似于函数式编程语言里的 currying [4] 的效果——把一个操作（此处是加法）分成几步来完成。没见过函数式编程的，可能对下面的表达式感到奇怪吧：
auto seven = adder(2)(5);
不过，最常见的情况是，写匿名函数就是希望不需要起名字。以前面的把所有容器元素值加 2 的操作为例，使用匿名函数可以得到更简洁可读的代码：
transform(v.begin(), v.end(),
v.begin(),
[](int x) {
return x + 2;
});
到了可以使用 ranges（已在 C++20 标准化）的时候，代码可以更短、更灵活。这个我们就留到后面再说了。
一个 lambda 表达式除了没有名字之外，还有一个特点是你可以立即进行求值。这就使得我们可以把一段独立的代码封装起来，达到更干净、表意的效果。
先看一个简单的例子：
[](int x) { return x * x; }(3)
这个表达式的结果是 3 的平方 9。即使这个看似无聊的例子，都是有意义的，因为它免去了我们定义一个 constexpr 函数的必要。只要能满足 constexpr 函数的条件，一个 lambda 表达式默认就是 constexpr 函数。
另外一种用途是解决多重初始化路径的问题。假设你有这样的代码：
Obj obj;
switch (init_mode) {
case init_mode1:
obj = Obj(…);
break;
case init_mode2;
obj = Obj(…);
break;
…
}
这样的代码，实际上是调用了默认构造函数、带参数的构造函数和（移动）赋值函数：既可能有性能损失，也对 Obj 提出了有默认构造函数的额外要求。对于这样的代码，有一种重构意见是把这样的代码分离成独立的函数。不过，有时候更直截了当的做法是用一个 lambda 表达式来进行改造，既可以提升性能（不需要默认函数或拷贝/移动），又让初始化部分显得更清晰：
auto obj = [init_mode]() {
switch (init_mode) {
case init_mode1:
return Obj(…);
break;
case init_mode2:
return Obj(…);
break;
…
}
}();
变量捕获
现在我们来细看一下 lambda 表达式中变量捕获的细节。
变量捕获的开头是可选的默认捕获符 = 或 &，表示会自动按值或按引用捕获用到的本地变量，然后后面可以跟（逗号分隔）：
- 本地变量名标明对其按值捕获（不能在默认捕获符
=后出现；因其已自动按值捕获所有本地变量） &加本地变量名标明对其按引用捕获（不能在默认捕获符&后出现；因其已自动按引用捕获所有本地变量）this标明按引用捕获外围对象（针对 lambda 表达式定义出现在一个非静态类成员内的情况）；注意默认捕获符=和&号可以自动捕获this（并且在 C++20 之前，在=后写this会导致出错）*this标明按值捕获外围对象（针对 lambda 表达式定义出现在一个非静态类成员内的情况；C++17 新增语法）变量名 = 表达式标明按值捕获表达式的结果（可理解为auto 变量名 = 表达式）&变量名 = 表达式标明按引用捕获表达式的结果（可理解为auto& 变量名 = 表达式）
从工程的角度，大部分情况不推荐使用默认捕获符。更一般化的一条工程原则是：显式的代码比隐式的代码更容易维护。当然，在这条原则上走多远是需要权衡的，你也不愿意写出非常啰嗦的代码吧？否则的话，大家就全部去写 C 了。
一般而言，按值捕获是比较安全的做法。按引用捕获时则需要更小心些，必须能够确保被捕获的变量和 lambda 表达式的生命期至少一样长，并在有下面需求之一时才使用：
- 需要在 lambda 表达式中修改这个变量并让外部观察到
- 需要看到这个变量在外部被修改的结果
- 这个变量的复制代价比较高
如果希望以移动的方式来捕获某个变量的话，则应考虑 变量名 = 表达式 的形式。表达式可以返回一个 prvalue 或 xvalue，比如可以是 std::move(需移动捕获的变量)。
上一节我们已经见过简单的按值捕获。下面是一些更多的演示变量捕获的例子。
按引用捕获：
vector<int> v1;
vector<int> v2;
…
auto push_data = [&](int n) {
// 或使用 [&v1, &v2] 捕捉
v1.push_back(n);
v2.push_back(n)
};
push_data(2);
push_data(3);
这个例子很简单。我们按引用捕获 v1 和 v2，因为我们需要修改它们的内容。
按值捕获外围对象：
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
#include <thread>
using namespace std;
int get_count()
{
static int count = 0;
return ++count;
}
class task {
public:
task(int data) : data_(data) {}
auto lazy_launch()
{
return
[*this, count = get_count()]()
mutable {
ostringstream oss;
oss << "Done work " << data_
<< " (No. " << count
<< ") in thread "
<< this_thread::get_id()
<< '\n';
msg_ = oss.str();
calculate();
};
}
void calculate()
{
this_thread::sleep_for(100ms);
cout << msg_;
}
private:
int data_;
string msg_;
};
int main()
{
auto t = task{37};
thread t1{t.lazy_launch()};
thread t2{t.lazy_launch()};
t1.join();
t2.join();
}
这个例子稍复杂，演示了好几个 lambda 表达式的特性：
mutable标记使捕获的内容可更改（缺省不可更改捕获的值，相当于定义了operator()(…) const）；[*this]按值捕获外围对象（task）；[count = get_count()]捕获表达式可以在生成 lambda 表达式时计算并存储等号后表达式的结果。
这样，多个线程复制了任务对象，可以独立地进行计算。请自行运行一下代码，并把 *this 改成 this，看看输出会有什么不同。
泛型 lambda 表达式
函数的返回值可以 auto，但参数还是要一一声明的。在 lambda 表达式里则更进一步，在参数声明时就可以使用 auto（包括 auto&& 等形式）。不过，它的功能也不那么神秘，就是给你自动声明了模板而已。毕竟，在 lambda 表达式的定义过程中是没法写 template 关键字的。
还是拿例子说话：
template <typename T1,
typename T2>
auto sum(T1 x, T2 y)
{
return x + y;
}
跟上面的函数等价的 lambda 表达式是：
auto sum = [](auto x, auto y)
{
return x + y;
}
是不是反而更简单了？😂
你可能要问，这么写有什么用呢？问得好。简单来说，答案是可组合性。上面这个 sum，就跟标准库里的 plus 模板一样，是可以传递给其他接受函数对象的函数的，而 + 本身则不行。下面的例子虽然略有点无聊，也可以演示一下：
#include <array> // std::array
#include <iostream> // std::cout/endl
#include <numeric> // std::accumulate
using namespace std;
int main()
{
array a{1, 2, 3, 4, 5};
auto s = accumulate(
a.begin(), a.end(), 0,
[](auto x, auto y) {
return x + y;
});
cout << s << endl;
}
虽然函数名字叫 accumulate——累加——但它的行为是通过第四个参数可修改的。我们把上面的加号 + 改成星号 *，把初值 0 改成 1，上面的计算就从从 1 加到 5 变成了算 5 的阶乘了。
bind 模板
我们上面提到了 bind1st 和 bind2nd 目前已经从 C++ 标准里移除。原因实际上有两个：
- 它的功能可以被 lambda 表达式替代
- 有了一个更强大的
bind模板 [5]
拿我们之前给出的例子：
transform(v.begin(), v.end(),
v.begin(),
bind2nd(plus<int>(), 2));
现在我们可以写成：
using namespace std::
placeholders; // for _1, _2...
transform(v.begin(), v.end(),
v.begin(),
bind(plus<>(), _1, 2));
原先我们只能把一个给定的参数绑定到第一个参数或第二个参数上，现在则可以非常自由地适配各种更复杂的情况！当然，bind 的参数数量，必须是第一个参数（函数对象）所需的参数数量加一。而 bind 的结果的参数数量则没有限制——你可以无聊地写出 bind(plus<>(), _1, _3)(1, 2, 3)，而结果是 4（完全忽略第二个参数）。
你可能会问，它的功能是不是可以被 lambda 表达式替代呢。回答是“是”。对 bind 只需要稍微了解一下就好——在 C++14 之后的年代里，已经没有什么地方必须要使用 bind 了。
function 模板
每一个 lambda 表达式都是一个单独的类型，所以只能使用 auto 或模板参数来接收结果。在很多情况下，我们需要使用一个更方便的通用类型来接收，这时我们就可以使用 function 模板 [6]。function 模板的参数就是函数的类型，一个函数对象放到 function 里之后，外界可以观察到的就只剩下它的参数、返回值类型和执行效果了。注意 function 对象的创建还是比较耗资源的，所以请你只在用 auto 等方法解决不了问题的时候使用这个模板。
下面是个简单的例子。
map<string, function<int(int, int)>>
op_dict{
{"+",
[](int x, int y) {
return x + y;
}},
{"-",
[](int x, int y) {
return x - y;
}},
{"*",
[](int x, int y) {
return x * y;
}},
{"/",
[](int x, int y) {
return x / y;
}},
};
这儿，由于要把函数对象存到一个 map 里，我们必须使用 function 模板。随后，我们就可以用类似于 op_dict.at("+")(1, 6) 这样的方式来使用 function 对象。这种方式对表达式的解析处理可能会比较有用。
内容小结
在这一讲中，我们了解了函数对象和 lambda 表达式的基本概念，并简单介绍了 bind 模板和 function 模板。它们在泛型编程和函数式编程中都是重要的基础组成部分，你应该熟练掌握。
课后思考
请：
- 尝试一下，把文章的 lambda 表达式改造成完全不使用 lambda。
- 体会一下，lambda 表达式带来了哪些表达上的好处。
欢迎留言和我分享你的想法。
参考资料
[1] Wikipedia, “Function object”. https://en.wikipedia.org/wiki/Function_object
[1a] 维基百科, “函数对象”. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/函数对象
[2] Wikipedia, “Anonymous function”.https://en.wikipedia.org/wiki/Anonymous_function
[2a] 维基百科, “匿名函数”. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/匿名函数
[3] Wikipedia, “Lambda calculus”. https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda_calculus
[3a] 维基百科, “λ演算”. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/Λ演算
[4] Wikipedia, “Currying”. https://en.wikipedia.org/wiki/Currying
[4a] 维基百科, “柯里化”. https://zh.wikipedia.org/zh-cn/柯里化
[5] cppreference.com, “std::bind”. https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/bind
[5a] cppreference.com, “std::bind”. https://zh.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/bind
[6] cppreference.com, “std::function”. https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/function
[6a] cppreference.com, “std::function”. https://zh.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/function
精选留言
2020-07-10 12:19:52
四刷本讲。
我对您文中的这一句介绍有点好奇，“每个 lambda 表达式都有一个全局唯一的类型”。 请问这是怎么做到的？本质上不应该是一个函数指针么？这么规定的目的是什么？
2020-01-02 14:23:05
lambda表达式大概是生成了一个匿名的struct吧，实现了operator(), 捕获的话对应struct上的字段。
2020-01-02 08:57:35
2、lambda表达式可以立即进行求职，这一点和JavaScript里的立即执行函数（Imdiately Invoked Function Expression，IIFE）一样。在JavaScript里，它是用来解决作用域缺陷的。
感觉在动态语言里被用到极致的闭包等特性，因为C++的强大、完备，在C++里很普通。
lambda的定义对应一个匿名函数对象，捕获就是构造这个对象时某种方式的初始化过程，用lambda表达式隐藏了这个过程，只保留了这个意思，更直观和写意。
老师，我对协程很感兴趣，C++会有协程么？隐约感觉捕获变量这个东西是不是可以用在实现协程上？
最后，祝老师新年快乐！
2020-02-14 11:32:39
在用LAMBDA表达式解决多重初始化路径的问题时，说到这样还可以提高性能，因为不需要默认构造和不需要拷贝/移动。可是在第10讲中讲返回值优化的时候，不是说如果返回值时有条件判断，编译器都被会难倒，从而导致NRVO失效么（函数getA_duang）？
2020-01-01 09:29:53
2022-03-21 19:49:23
public:
task(int data) : data_(data) {}
auto lazy_launch()
{
return
[this, count = get_count()]()
mutable {
ostringstream oss;
oss << "Done work " << data_
<< " (No. " << count
<< ") in thread "
<< this_thread::get_id()
<< '\n';
msg_ = oss.str();
calculate();
};
}
void calculate()
{
this_thread::sleep_for(100ms);
cout << msg_;
}
private:
int data_;
string msg_;
};
输出：
Done work 37 (No. 2) in thread 3
Done work 37 (No. 2) in thread 3
按引用捕获，应该是线程1输出之前msg_被线程2覆盖了。
2022-06-11 14:49:10
老师这句话有问题么？括号内外感觉描述矛盾
&本地变量名：这种写法不被允许么？
2020-01-04 11:18:48
void foo()
{
printf("function pointer\n");
}
struct A {
void fA() { printf("std::bind\n"); }
void fB() { printf("std::function\n"); }
};
int main()
{
go foo;
go []{
printf("lambda\n");
};
go std::bind(&A::fA, A());
std::function<void()> fn(std::bind(&A::fB, A()));
go fn;
}
其中跟在"go"后面的内容总算能理解了，但是"go"的实现原理还是没搞懂，不知道后面协程这块的内容会不会有讲到。
另外对老师今天讲的 ”一般而言，按值捕获是比较安全的做法。按引用捕获时则需要更小心些，必须能够确保被捕获的变量和 lambda 表达式的生命期至少一样长“ 这句话深有体会，我在项目里按值捕获指针给协程用，结果调试的时候就是各种随机的崩溃。。。
2020-01-01 17:35:48
不对的地方，望老师指正。
对function<int(int, int)>这货怎么实现的比较好奇，大多数模板参数都是类型，做的都是是类型推导，这货居然是int(int, int)
2022-11-17 21:18:24
原文：虽然函数名字叫 accumulate——累加——但它的行为是通过第四个参数可修改的。我们把上面的加号 + 改成星号 *，上面的计算就从从 1 加到 5 变成了算 5 的阶乘了。
实际上，还需要把第三个参数改成1，否则结果是0.
2020-06-30 12:30:21
对于形如[]() mutable {}的lamda表达式 还能够被认为是一个constexpr吗？
2020-01-09 16:57:21
当我们拿 add_2 去调用这三个函数模板时，fn 的类型将分别被推导为 int (*)(int)、int (&)(int) 和 int (*)(int)。
第一个和第三个都是 int (*)(int) 第一个是不是 int (int)
2020-01-04 22:52:06
如果lambda的推导类型不是function，那是什么类型呢？和function有什么区别？
2020-01-01 10:19:37
2022-09-08 08:55:03
2022-08-27 10:06:00
return [=, count = get_count()]()。
我记得[]里=是按值捕获，&引用捕获，是我哪里没理解对吗，还是C++标准不同所致。
2021-12-29 11:52:34
2021-03-19 12:00:43
auto adder = [](int n) {
return [n](int x) {
return x + n;
};
};
如果里面的lambda改成引用捕获，如下所示：
auto adder = [](int n) {
return [&n](int x) {
return x + n;
};
};
结果就是不对的了. adder(3)(5)的结果是10(5 + 5). 请问是什么原因啊？
2021-02-22 21:06:07
auto dbl_lambda = [](const int& x) {return x * x;};
int dbl1 = dbl_lambda(3);
关于"只要能满足 constexpr 函数的条件，一个 lambda 表达式默认就是 constexpr 函数"这个结论, 我用上面对代码编译之后, 计算3*3依然是运行时调用, 使用的是https://gcc.godbolt.org/, 编译环境x86-64 gcc10.2
call 401172 <main::{lambda(int)#1}::operator()(int) const>
mov DWORD PTR [rbp-0x4],eax
请问是有什么地方不正确吗? 如果使用正常对函数加constexpr声明则是编译期计算的
2020-06-30 13:48:41
请问利用lamda表达式来替换bind,是否要使用std::thresholders来传递参数?