C++ ラムダ式 完全解説

第1章：ラムダ式とは何か？なぜ今、学ぶべきなのか？

ラムダ式は、C++11で導入された非常に強力で柔軟な機能です。簡単に言うと、「名前を持たない関数（無名関数）を、プログラムの中で必要な場所でその場で作成して使う」ための構文です。 これにより、まるで手元に道具箱があるかのように、大げさな準備なしに、ちょっとした処理をプログラムのロジックの中に直接書き込むことが可能になりました。

C++11以前のC++では、何か特定の処理を別の「関数」として定義するには、必ずその関数に名前を付け、場合によってはその関数のための「クラス」（関数オブジェクト）を別途作成する必要がありました。 ラムダ式は、そのような手間を大幅に省き、コードをより簡潔に、そして読みやすく、さらに効率的に書くことを可能にします。

第2章：ラムダ式の基本構造を理解する (構文編)

ラムダ式の基本的な構文は、最初は少し独特に見えるかもしれませんが、各部分の役割を一度理解すれば、すぐに慣れることができます。ここでは、ラムダ式の「骨格」を構成する要素を一つずつ見ていきましょう。

[キャプチャ句](パラメータリスト) オプション -> 戻り値の型 { 関数本体 };

• [ ] (角括弧): キャプチャ句 (Capture clause)
  • ラムダ式の開始を示す必須の要素です。ラムダ式の外側にある変数（「周囲の環境」の変数）を、ラムダ式の中でどのように利用可能にするかを指定します。この部分については、第3章で詳しく解説します。
• ( ) (丸括弧): パラメータリスト (Parameter list)
  • 通常の関数と同様に、ラムダ式が受け取る引数を定義します。ラムダ式が何も引数を受け取らない場合は、空の()で構いません。
• オプション:
  • mutable (C++11~)、constexpr (C++17~)、noexcept などのキーワードを指定できます。これらは省略可能な要素です。
• -> 戻り値の型 (Trailing return type):
  • ラムダ式が返す値の型を明示的に指定します。多くの場合、コンパイラが関数本体のreturn文から型を推論できるため省略可能です。
• { } (波括弧): 関数本体 (Function body)
  • ラムダ式が実行する具体的な処理を記述します。通常のC++コードと同様に、変数宣言、制御構造（if, forなど）、関数呼び出しなど、あらゆる処理を記述できます。
• ; (セミコロン):
  • ラムダ式もC++の「式」の一種であるため、変数への代入など、文脈によっては文の終わりを示すセミコロンが必要です。

2.1. 最もシンプルなラムダ式と引数・戻り値の指定

ラムダ式がどのように機能するか、具体的な例で確認していきましょう。

シンプルなラムダ式：挨拶を出力

// 何も引数を受け取らず、単に「Hello, Lambda!」と出力するラムダ式
auto say_hello = [ ]( ) {
    std::cout << "Hello, Lambda!" << std::endl;
};

say_hello( ); // 出力: Hello, Lambda!

解説: autoキーワードは、ラムダ式の型をコンパイラに自動推論させます。これは推奨される記述方法です。

引数を持つラムダ式：2つの数の和を出力

// 2つの整数を受け取り、その和を出力
auto print_sum = [ ](int a, int b) {
    std::cout << a + b << std::endl;
};
print_sum(5, 3); // 出力: 8

解説: パラメータリスト()に引数を定義します。

戻り値を持つラムダ式：2つの数の和を計算して返す

// 2つの整数の和を計算して返す
auto calculate_sum = [ ](int x, int y) {
    return x + y;
};
int result = calculate_sum(10, 20); // resultは30

解説: return文で値を返します。戻り値の型は多くの場合、自動推論されます。

第3章：ラムダ式の「心臓部」：キャプチャ句をマスターする

キャプチャ句 [ ] は、ラムダ式が定義されたスコープ（外側の環境）にある変数へアクセスするための方法を指定します。 これにより、ラムダ式はその定義時のコンテキスト（周囲の環境）の情報を「キャプチャ」して利用できます。

3.1. キャプチャの種類とそれぞれの特性

キャプチャの方法にはいくつか種類があり、それぞれ異なる特性と使用上の注意点があります。

キャプチャなし: [ ]

int external_data = 100;
auto no_capture_lambda = [ ]( ) {
    // std::cout << external_data << std::endl; // エラー！アクセス不可
    std::cout << "キャプチャなしラムダ実行" << std::endl;
};

解説: 外部の自動変数にアクセスできません（グローバル変数や静的変数は除く）。

値キャプチャ (Capture by Value): [変数名] または [=]

変数の値をコピーしてラムダ式内に保持します。元の変数の変更は影響しません。

int score = 42;
auto lambda_val_cap = [score]( ) { std::cout << score; };
score = 100;
lambda_val_cap( ); // 出力: 42

メリット: 安全。元の変数の寿命を気にしなくてよい。 注意点: 大きなオブジェクトのコピーコスト。

参照キャプチャ (Capture by Reference): [&変数名] または [&]

変数への参照をラムダ式内に保持します。元の変数を直接操作できます。

int hp = 100;
auto lambda_ref_cap = [&hp]( ) { hp += 10; std::cout << hp; };
lambda_ref_cap( ); // 出力: 110
std::cout << hp; // 出力: 110

メリット: 最新値を参照、コピーコストなし。 最重要注意: ダングリング参照のリスク。キャプチャした変数の寿命管理が必須。

キャプチャの組み合わせと `this` キャプチャ

[=, &var] (デフォルト値、varは参照)、[&, var] (デフォルト参照、varは値)、[this] (クラスメンバアクセス用) などがあります。

第4章：ラムダ式のメリットを実感！従来の記述との比較

ラムダ式の真価は、従来のC++の記述方法と比べることで、より明確に理解できます。特にSTLのアルゴリズム関数と組み合わせた際に、その簡潔さと強力さが際立ちます。

4.1. シナリオ1：STL `std::sort` でのカスタムソート（降順）

数値のベクタを降順（大きい順）にソートしたい場合を考えます。

#include 
#include 

struct DescendingCompare {
    bool operator( )(int a, int b) const { return a > b; }
};

void sort_old_style(std::vector<int>& numbers) {
    std::sort(numbers.begin( ), numbers.end( ), DescendingCompare( ));
}

#include 
#include 

void sort_with_lambda(std::vector<int>& numbers) {
    std::sort(numbers.begin( ), numbers.end( ),
        [ ](int a, int b) { return a > b; } // ロジックをその場で定義
    );
}

struct SearchPredicate {
    int threshold;
    SearchPredicate(int t) : threshold(t) { }
    bool operator( )(int n) const {
        return (n > threshold) && (n % 2 == 0);
    }
};
auto it_old = std::find_if(/*...*/, SearchPredicate(lower_bound));

int lower_bound = 3;
auto it_lambda = std::find_if(/*...*/,
    [lower_bound](int n) {
        return (n > lower_bound) && (n % 2 == 0);
    }
);