Lambda 表达式
注意 ：考虑到算法竞赛的实际情况，本文将不会全面研究语法，只会讲述在算法竞赛中可能会应用到的部分．
本文语法参照 C++11 标准，其他高版本的标准语法视情况提及并会特别标注．
Lambda 表达式
Lambda 表达式因数学中的 𝜆λ
演算得名，直接对应于其中的 lambda 抽象．编译器在编译时会根据语法生成一个匿名的 函数对象，以捕获的变量作为其成员，参数和函数体用于实现 operator() 重载．
函数对象（Function Object）
函数对象是一种类对象，一般通过重载 operator() 实现，所以能像函数一样调用．相较于使用普通的函数，函数对象有很多优点，例如可以保存状态，可以作为参数传递给其他函数等．
以下是 lambda 的一种语法：
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Lambda 表达式本身是一个类，展开后如以下形式：
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空的 capture 可以隐式转换为函数指针，例如：
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下面我们分别对语法中的各部分进行介绍．
### statement 函数体
函数体与普通函数函数体类似，除了能访问参数和全局变量等，还可访问 捕获 的变量．
### capture 捕获子句
lambda 以 capture 子句开头，它指定哪些变量被捕获，捕获列表可为空，或指定捕获方式：有 `&` 符号前缀的变量通过 [引用](../reference/) 访问，没有该前缀的变量通过值访问．
我们也可以使用默认捕获模式，捕获 Lambda 中提及的所有变量：`&` 表示捕获到的所有变量都通过引用访问，`=` 表示捕获到的所有变量都通过值访问．
在默认捕获之后，仍然可以为特定的变量 **显式** 指定捕获模式．
如果需要引用访问外部变量 `a`，并通过值访问外部变量 `b`，那么以下捕获子句都可以做到：
* `[&a, b]`
* `[b, &a]`
* `[&, b]`
* `[b, &]`
* `[=, &a]`
同时捕获列表也可以用于声明变量，类型由初始化器推导，类似于使用 `auto` 声明变量．
以下是一些常见的例子：
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generalized capture 带初始化的捕获（C++14）
自 C++14 起，capture 不仅可以用来捕获外部变量，还可用于声明新的变量并初始化，例如：
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定义新的变量不可以省略初始值，变量的类型由初始值的类型决定，相当于：
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以下是错误的写法：
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初始化值也可以是外部变量，例如：
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val 也可以是一个引用类型，可以引用一个外部变量，通过这种方式可以为通过引用捕获的外部变量取个别名，例如：
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捕获外部变量和定义新变量可以同时使用．
如果你想在 Lambda 表达式内修改 capture 中定义的新变量，需要使用 `mutable` 关键字，如果是引用则不需要，例如：
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详见 mutable 可变规范．
在 capture 中定义的变量的生命周期跟随 Lambda 表达式的接收方，在以上几个示例中为变量 𝑓f，因为 Lambda 本身其实是一个类，capture 中的所有内容都是这个类的 private 成员变量，例如：
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### parameters 参数列表
大多数情况下类似于函数的参数列表，例如：
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这将打印出 x 数组从大到小排序后的结果．
由于 parameters 参数列表 是可选的，如果不将参数传递给 lambda，并且其声明不包含 mutable，且没有后置返回值类型，则可以省略空括号．
使用 auto 声明的参数
C++14 后，若参数使用 auto 声明类型，那么会构造一个 泛型 Lambda 表达式．
显式对象形参（C++23）
C++23 起，显式对象形参 可以在 lambda 的参数中使用．
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### mutable 可变规范
使得函数体可以修改通过值捕获的变量．
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在执行完 by_value() 后，by_value 的捕获成员 a 为 1，但外部的变量 a 依然为 0． 而在执行完 by_ref() 后，外部 a 的值变为 1．
return-type 返回类型
用于指定 lambda 表达式的返回类型．如果省略，则返回类型将被自动推断（行为与用 auto 声明返回值的函数一致）．
多个 return 语句且推导类型不一致时，将产生编译错误．
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### 泛型 Lambda（C++14）
使用 `auto` 作为参数类型，可以构造泛型 lambda．
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在 cpp insights 中可以观察到编译器生成的 lambda 类定义：
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`add` 两个参数声明均使用了 `auto`，对应为 `add_lambda` 类的 `operator()` 函数模板的两个模板参数 `T` 和 `U`．
### Lambda 中的递归
先来看一个编译失败的例子：
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我们这里尝试在捕获列表中捕获 𝑑𝑓𝑠dfs，但是有一个问题，𝑑𝑓𝑠dfs 的类型为 auto，要等待等号右边的类型推导完成后才会推导出 𝑑𝑓𝑠dfs 的类型，而 Lambda 要捕获 𝑑𝑓𝑠dfs 就必须要确定 𝑑𝑓𝑠dfs 的类型后才能创建它的引用变量，好，这会陷入了一个套娃过程．
怎么解决这个问题呢？
- 显式指定 𝑑𝑓𝑠dfs 的类型，可以使用
std::function替代．
修改如上代码为：
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不建议使用 [`std::function`](../new/#stdfunction) 实现的递归
`std::function` 的类型擦除通常需要分配额外内存，同时间接调用带来的寻址操作会进一步降低性能．
在 [Benchmark](https://quick-bench.com/q/U5qf_dHHKsSyVU83jmt0p_U541c) 测试中，使用 Clang 17 编译器，libc++ 作为标准库，`std::function` 实现比 lambda 实现的递归慢了约 2.5 倍．
测试代码
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- 不通过捕获的方式获取 𝑑𝑓𝑠dfs，而是通过函数传参的方式．
修改如上代码为：
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`auto self`、`auto& self` 和 `auto&& self` 的区别：
`auto& self` 和 `auto&& self` 理论上都只会使用 88 个字节（指针的大小）用作传参，不会发生其他的拷贝．具体要看编译器对 Lambda 的实现方式和对应的优化． 而使用 `auto self` 会发生对象拷贝，拷贝的大小取决于捕获列表中的元素，因为它们都是这个 Lambda 类中的私有成员变量．
1. 可以通过手动展开 Lambda 类，或使用类似写法，这样可以直接声明 𝑑𝑓𝑠dfs 的类型．
修改如上代码为：
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- 如果 lambda 没有捕获任何变量，我们也可以利用函数指针．
如果 lambda 没有捕获任何变量，那么它可以隐式转换为函数指针．同时 lambda 此时也可以声明为 static，函数指针类型也可以声明为 static．如此依赖，lambda 可以不需要捕获就能访问函数指针，从而实现递归．
示例
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### Lambda 表达式的应用
#### 作为标准库算法的 Predicate（谓词）
从大到小排序：
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使用 std::find_if 查找第一个大于 3 的元素：
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#### 控制中间变量的生命周期
在算法竞赛中，我们会遇到这样的场景：一个变量的初始化需要使用之前声明的变量，其初始化过程又生成占用空间较大的中间变量．
我们希望能尽快析构这些中间变量，以降低内存消耗．此时，我们可以使用 lambda 来控制这些中间变量的生命周期．
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相较于使用块作用域，lambda 可以允许我们使用返回值，使得代码更加简洁；相较于函数，我们不需要额外起名和声明被捕获的各种参数，使得代码更加紧凑．
参考文献
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