函数对象和lambda表达式在STL中有什么作用？

八股文_C++STL面试题 0 198

参考回答：

函数对象和lambda表达式在STL（标准模板库）中都有着重要的作用，它们都可以用作算法的参数，提供自定义的操作行为。这些机制能够提高STL算法的灵活性和可重用性。它们通常用来替代传统的函数指针，提供更高效、更简洁的方式来传递行为。

详细讲解与拓展：

1. 函数对象（Function Object）

函数对象（也称为仿函数）是一个实现了 operator() 的类或结构体，可以像普通函数一样被调用。与普通函数不同，函数对象可以持有状态，因此它们通常用于需要状态或多次调用的场景。

在STL中，许多算法和容器操作都允许传入函数对象来指定自定义的操作行为。例如，排序算法可以通过传递自定义的比较函数来控制排序的方式。

函数对象的基本结构：

#include <iostream>

class Add {
public:
    Add(int x) : x(x) {}
    int operator()(int y) const { return x + y; }  // 实现 operator()
private:
    int x;
};

int main() {
    Add add5(5);  // 创建一个加法函数对象
    std::cout << add5(10) << std::endl;  // 输出 15
    return 0;
}

在这个例子中，Add 是一个函数对象，它包含一个成员函数 operator()，可以像普通函数一样调用。它封装了加法操作，并允许使用状态（x）。

在STL算法中的应用：
STL算法如 std::sort, std::for_each, std::transform 等通常允许传入函数对象作为操作。例如，std::sort 可以使用一个自定义的函数对象来控制排序顺序。

示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

class Compare {
public:
    bool operator()(int a, int b) const {
        return a > b;  // 自定义比较：降序排列
    }
};

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 5, 3, 4, 2};
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), Compare());  // 使用函数对象排序

    for (int n : vec) {
        std::cout << n << " ";  // 输出 5 4 3 2 1
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了一个比较函数对象 Compare，并将其传递给 std::sort 来实现降序排序。

2. Lambda表达式

Lambda表达式是C++11引入的一种简洁的方式，用于定义匿名函数。它们使得函数对象的使用更加简洁和灵活，尤其是在需要短小、临时函数时，避免了额外定义一个函数对象类的麻烦。

Lambda表达式可以捕获外部变量、接受参数并返回值，常常用于STL算法中作为回调函数。

Lambda表达式的基本语法：

[捕获列表] (参数列表) -> 返回类型 { 函数体 }

捕获列表：指定哪些外部变量在lambda表达式中可用，可以按值或引用捕获。
参数列表：与普通函数一样，可以指定lambda函数的参数。
返回类型：可以省略，编译器会根据返回的值推导。
函数体：lambda的实际执行代码。

示例：

#include <iostream>

int main() {
    auto add = [](int x, int y) { return x + y; };  // 定义一个lambda表达式
    std::cout << add(3, 4) << std::endl;  // 输出 7
    return 0;
}

在这个例子中，add 是一个 lambda 表达式，它接收两个参数并返回它们的和。

在STL算法中的应用：
Lambda表达式在STL算法中非常常见，特别是用于如 std::sort、std::for_each 和 std::transform 等算法中传递自定义操作。

示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 5, 3, 4, 2};

    // 使用lambda表达式自定义排序：降序排列
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) { return a > b; });

    for (int n : vec) {
        std::cout << n << " ";  // 输出 5 4 3 2 1
    }
    return 0;
}

在这个例子中，std::sort 使用 lambda 表达式来实现降序排序。相比函数对象，lambda表达式更加简洁。

3. 函数对象与Lambda表达式的比较

简洁性：Lambda表达式通常比函数对象更简洁，尤其是当函数体较短时，使用lambda表达式能减少冗余代码。
捕获外部变量：Lambda表达式可以捕获外部变量，而函数对象则通常需要通过成员变量来传递状态。
性能：在很多情况下，lambda表达式和函数对象的性能是相似的，因为编译器通常会优化它们。对于简单的情况，lambda表达式可能会比函数对象稍微高效一点。

4. Lambda表达式的捕获机制

Lambda表达式的一个强大特性是捕获外部变量。通过捕获外部变量，lambda表达式能够访问其创建时的上下文。

按值捕获：捕获外部变量的副本。
按引用捕获：捕获外部变量的引用。
按值和引用混合捕获：同时按值和引用捕获不同的变量。

示例：

#include <iostream>

int main() {
    int a = 5, b = 10;

    // 按值和引用混合捕获
    auto lambda = [a, &b]() { std::cout << "a: " << a << ", b: " << b << std::endl; };

    lambda();  // 输出 a: 5, b: 10

    b = 20;  // 修改 b
    lambda();  // 输出 a: 5, b: 20

    return 0;
}

在这个例子中，lambda按值捕获 a，按引用捕获 b，因此修改 b 会影响lambda表达式的输出，而 a 的值保持不变。

总结：

函数对象：是一个实现了 operator() 的类，常用于STL算法中传递自定义操作。它们能够持有状态，适用于需要多次调用的复杂操作。
Lambda表达式：是C++11引入的匿名函数，能够捕获外部变量，具有简洁的语法。它们常用于STL算法中作为回调函数，比函数对象更加简洁和灵活。

在STL中，函数对象和lambda表达式广泛应用于算法中，使得算法能够根据不同的需求定制操作行为。两者各有优势，通常可以根据场景选择使用函数对象或lambda表达式。

参考回答：

详细讲解与拓展：

1. 函数对象（Function Object）

2. Lambda表达式

3. 函数对象与Lambda表达式的比较

4. Lambda表达式的捕获机制

总结：

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