现代 C++ 实战（06）：Lambda 与类型推导

智能指针解决「谁拥有资源」，Lambda 解决「怎么写小段逻辑」——回调、算法谓词、闭包、延迟执行，现代 C++ 里无处不在。从 C++11 的 [](){} 到 C++20 的模板 Lambda，每一版标准都在把它变强。

这一篇系统梳理 Lambda 语法、捕获方式、与 auto/decltype 的类型推导，并对比函数指针与 std::function 的取舍。

这是「现代 C++ 实战」系列的第 6 篇。对应 demo：ref/cpp_demo/basics/lambda_demo/。建议先读第 05 篇：智能指针（下）。

一、基本语法：`[](){}` 四部分

Lambda 的完整形式：

1	[捕获列表](参数列表) 可选说明符 -> 返回类型 { 函数体 }

部分	含义	可省略？
`[...]`	捕获列表：把外部变量「带进」闭包	空 `[]` 表示不捕获
`(...)`	参数列表，同普通函数	无参时可写 `()` 或省略
`-> T`	显式返回类型	可省略，编译器推导
`{...}`	函数体	不可省略

最小例子：

1 2	auto square = [](int x) { return x * x; }; std::cout << square(5) << '\n'; // 25

Lambda 是匿名函数对象：编译器生成一个带 operator() 的 unnamed class，因此可以赋值给 auto，也可以传给 STL 算法。

二、捕获方式：值、引用与初始化捕获

2.1 默认捕获

int a = 1, b = 2;
auto f1 = [=]() { return a + b; };   // 按值捕获所有用到的外部变量
auto f2 = [&]() { return a + b; };   // 按引用捕获
auto f3 = [a, &b]() { return a + b; }; // 混合：a 值捕获，b 引用捕获

写法	含义	注意
`[=]`	用到的变量按值复制进闭包	闭包内修改不影响外部（除非 mutable）
`[&]`	用到的变量按引用绑定	闭包生命周期不能长于被引用对象
`[x, &y]`	显式指定每个变量	最清晰，推荐

2.2 `mutable`：修改值捕获的副本

按值捕获的变量在 Lambda 体内默认是 const；加 mutable 可修改闭包内的副本：

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int n = 0;
auto counter = [n]() mutable { return ++n; };
std::cout << counter() << counter() << '\n';  // 1 2（外部 n 仍为 0）

2.3 C++14 初始化捕获（移动捕获）

可以把表达式结果移动进闭包，适合 unique_ptr 等不可拷贝类型：

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auto ptr = std::make_unique<int>(42);
auto f = [p = std::move(ptr)]() { return *p; };
// ptr 此时为 nullptr；所有权已移入 Lambda

demo 中的写法：

auto important = std::make_unique<int>(1);
auto add = [v1 = 1, v2 = std::move(important)](int x, int y) -> int {
    return x + y + v1 + (*v2);
};

初始化捕获语法：[标识符 = 表达式]，表达式可以是移动、常量或任意可拷贝/移动的值。

三、泛型 Lambda（C++14）

参数写 auto，Lambda 自动成为函数模板：

auto twice = [](auto x) { return x + x; };
twice(3);       // int
twice(2.5);     // double
twice(std::string("hi"));  // string 拼接

等价于编译器生成 operator()(T x) 的模板成员。适合写通用算法谓词，无需手写 template<typename T>。

四、constexpr Lambda（C++17）

Lambda 默认可以在 constexpr 上下文使用（若函数体满足 constexpr 规则）：

1 2	constexpr auto sq = [](int n) { return n * n; }; static_assert(sq(10) == 100);

C++17 起，无捕获或仅捕获字面量的 Lambda 可用于编译期计算，与 constexpr 函数类似。

五、模板 Lambda（C++20）

C++20 允许在 Lambda 上直接写模板参数列表：

auto print = []<typename T>(const T& v) {
    std::cout << v << '\n';
};
print(42);
print("hello");

与 C++14 泛型 Lambda 相比，可以显式访问 T，做 if constexpr、Concepts 约束等更复杂的编译期逻辑。

六、`auto` 与 `decltype`：类型推导规则

Lambda 几乎总是配合 auto 存储——每个 Lambda 表达式都有唯一的编译器生成类型，无法直接写出名。

6.1 `auto` 推导

1 2	auto f = [](int x) -> double { return x * 1.5; }; // f 的类型类似 closure_type_xxx，不可手写

若需要类型擦除（存进容器、跨编译单元传递），才用 std::function（见第七节）。

6.2 `decltype` 与尾置返回类型

泛型代码中常用 decltype 推导表达式类型：

template<typename T, typename U>
auto add(T a, U b) -> decltype(a + b) {
    return a + b;
}

C++14 起可简写为 auto add(T a, U b) { return a + b; }，编译器自动推导返回类型。

6.3 推导要点（速查）

场景	规则
`auto x = expr`	丢弃顶层 `const`、忽略引用
`auto& x = expr`	保留引用，不拷贝
`decltype(expr)`	精确推导，含 const/引用
Lambda 存 `auto`	保留具体闭包类型，可内联优化

七、Lambda vs 函数指针 vs `std::function`

方式	灵活性	性能	典型用途
Lambda + `auto`	高（捕获、泛型）	最佳（可内联）	局部回调、STL 算法
函数指针	低（无捕获、无状态）	好	C 接口、简单回调
`std::function<R(Args...)>`	高（类型擦除）	有堆分配/间接调用开销	容器存多种可调用对象

// 函数指针：不能捕获
void (*fp)(int) = [](int x){ /* 错误：有捕获的 Lambda 不能转函数指针 */ };

// std::function：可存 Lambda，但有开销
std::function<int(int,int)> op = [](int a, int b){ return a + b; };
std::vector<std::function<void()>> tasks;  // 任务队列

选型建议：

能 auto 就 auto——模板代码里用 auto&& 转发 Lambda
需要存在 vector 且类型各异 → std::function
与 C API 交互 → 无捕获 Lambda 或静态函数

八、与 STL 算法的配合

Lambda 最常见的战场：

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

std::count_if(v.begin(), v.end(), [](int x) { return x % 2 == 0; });  // 偶数个数

C++20 Ranges 进一步把 Lambda 管道化（系列第 10 篇详讲）。

九、demo 导览：lambda_demo

ref/cpp_demo/basics/lambda_demo/ 演示 C++14 初始化捕获 + 移动 unique_ptr：

1 2	cd ref/cpp_demo/basics/lambda_demo ./build.sh --run

输出 9（3 + 4 + 1 + 1）。建议对照源码理解：v2 从外部 unique_ptr 移动进闭包后，外部指针为空。

十、小结

概念	要点
语法	`[捕获](参数) -> 返回 { 体 }`
捕获	`=` 值、`&` 引用、`[x=expr]` 初始化/移动捕获
泛型	C++14 `auto` 参数；C++20 模板 Lambda
constexpr	C++17 无捕获 Lambda 可编译期求值
存储	优先 `auto`；跨模块/容器用 `std::function`
性能	具体闭包类型 > 函数指针 > `std::function`