C++之Lambda研究

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1. 前言

本文代码测试环境为“GCC-9.1.0”，有关编译器的安装请参考《安装GCC-8.3.0及其依赖》，适用于“GCC-9.1.0”。

本文试图揭露Lambda背后一面，以方便更好的理解和掌握Lambda。Lambda代码段实际为一个编译器生成的类的“operator ()”函数，编译器会为每一个Lambda函数生成一个匿名的类（在C++中，类和结构体实际一样，无本质区别，除了默认的访问控制）。

对Lambda的最简单理解，是将它看作一个匿名类（或结构体），实际上也确实如此，编译器把Lambda编译成了匿名类。

2. 示例1

先看一段几乎最简单的Lambda代码：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

int main() {

  auto f = [] { printf("f\n"); }; // 注意“}”后的“;”必不可少，否则编译报错

  return 0;

}

 

如果Lambda表达式（或函数）没有以“;”结尾，则编译时将报如下错误：

a3.cpp: In function 'int main()':

a3.cpp:4:3: error: expected ',' or ';' before 'return'

    4 |   return 0;

      |   ^~~~~~

 

Lambda之所以神奇，这得益于C++编译器的工作，上述“f”实际长这样：

type = struct  {

}

 

一个匿名的类（或结构体），实际上还有一个成员函数“operator () const”。注意这里成员函数是”const”类型，这是默认的。如果需非”const”成员函数，需要加”mutable”修饰，如下所示：

auto f = [n]() mutable { printf("%d\n", n); };

 

上面例子对应的匿名类没有任何类数据成员，现在来个有类数据成员的代码：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

int main() {

  int n = 3;

  auto f = [n] { printf("%d\n", n); };

  f(); // 这里实际调用的是匿名类的成员函数“operator ()”

  return 0;

}

 

这时，“f”实际长这样，它是一个含有类数据成员的匿名类，而不再是空无一特的类：

type = struct  {

    int __n;

}

3. 示例2

继续来个变种：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

int main() {

  int n = 3;

  auto f = [&n]() mutable { printf("%d\n", n); };

  f();

  return 0;

}

 

这时，“f”实际长这样，一个包含了引用类型的匿名类：

type = struct  {

    int &__n;

}

4. 示例3

继续变种，“&”的作用让Lambda函数可使用Lambda所在作用域内所有可见的局部变量（包括Lambda所在类的this），并且是以引用传递方式：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

int main() {

  int n = 3;

  auto f = [&]() mutable { printf("%d\n", n); };

  f();

  return 0;

}

 

“f”实际长这样：

type = struct  {

    int &__n;

}

 

变稍复杂一点：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

int main() {

  int n = 3;

  int m = 5;

  auto f = [&]() mutable { printf("%d\n", n); };

  f();

  return 0;

}

 

可以看到，“f”并没有发生变化：

type = struct  {

    int &__n;

}

5. 示例4

继续增加复杂度：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

int main() {

  int n = 3;

  int m = 5;

  auto f = [&]() mutable { printf("%d,%d\n", n, m); };

  f();

  return 0;

}

 

可以看到“f”变了：

type = struct  {

    int &__n;

    int &__m;

}

 

从上面不难看出，编译器只会把Lambda函数用到的变量打包进对应的匿名类。继续一个稍复杂点的：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

struct X {

  void foo() { printf("foo\n"); }

  void xoo() {

    auto f = [&] { foo(); };

    f();

  }

};

int main() {

  X().xoo();

  return 0;

}

 

这时，“f”实际长这样：

type = struct X:: {

    X * const __this; // X类型的指针（非对象）

}

 

如果将“auto f = [&] { foo(); };”中的“&”去掉，则会遇到编译错误，提示“this”没有被Lambda函数捕获：

a2.cpp: In lambda function:

a2.cpp:5:23: error: 'this' was not captured for this lambda function

    5 |     auto f = [] { foo(); };

      |                       ^

a2.cpp:5:23: error: cannot call member function 'void X::foo()' without object

 

改成下列方式捕获也是可以的：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

struct X {

  void foo() { printf("foo\n"); }

  void xoo() {

    auto f = [this] { foo(); };

    f();

  }

};

int main() {

  X().xoo();

  return 0;

}

 

如果是C++17，还可以这样：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++17

#include 

struct X {

  void foo() { printf("foo\n"); }

  void xoo() {

    auto f = [*this]() mutable { foo(); };

    f();

  }

};

int main() {

  X().xoo();

  return 0;

}

 

注意得有“mutable”修饰，不然报如下编译错误：

a2.cpp: In lambda function:

a2.cpp:5:30: error: passing 'const X' as 'this' argument discards qualifiers [-fpermissive]

    5 |     auto f = [*this]() { foo(); };

      |                              ^

a2.cpp:3:8: note:   in call to 'void X::foo()'

    3 |   void foo() { printf("foo\n"); }

      |        ^~~

 

也可以这样：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++17

#include 

struct X {

  void foo() { printf("foo\n"); }

  void xoo() {

    auto f = [&,*this]() mutable { foo(); };

    f();

  }

};

int main() {

  X().xoo();

  return 0;

}

 

使用“*this”时的“f”样子如下：

type = struct X:: {

    X __this; // X类型的对象（非指针）

}

6. 示例5

继续研究，使用C++ RTTI（Run-Time Type Identification，运行时类型识别）设施“typeid”查看Lambda函数：

// g++ -g -o a1 a1.cpp -std=c++11

#include 

#include <typeinfo>

struct X {

  void xoo() {

    auto f = [] { printf("f\n"); };

    printf("%s\n", typeid(f).name());

    // 注：typeid返回值类型为“std::type_info”

  }

};

int main() {

  X().xoo();

  return 0;

}

 

运行输出：

ZN1X3xooEvEUlvE_

7. 匿名类规则

编译器为Lambda生成的匿名类规则（不同标准有区别）：

构造函数 拷贝构造函数	ClosureType() = delete;	C++14前
	ClosureType() = default;	C++20起， 仅当未指定任何俘获时
	ClosureType(const ClosureType& ) = default;	C++14起
	ClosureType(ClosureType&& ) = default;	C++14起
拷贝复制函数	ClosureType& operator=(const ClosureType&) = delete;	C++20前
	ClosureType& operator=(const ClosureType&) = default; ClosureType& operator=(ClosureType&&) = default;	C++20起， 仅当未指定任何俘获时
	ClosureType& operator=(const ClosureType&) = delete;	C++20起，其他情况
析构函数	~ClosureType() = default;	析构函数是隐式声明的

 

对于标记为“delete”的函数是不能调用的，如下列代码中的“f2 = f1;”将触发编译错误：

int main() {

  auto f1 = []{};

  auto f2 = f1;

  f2 = f1;

  return 0;

}

 

上列代码在C++11、C++14和C++17均会报错。不过如规则所示，C++20（含C++2a）上则可以正常编译：

a3.cpp: In function 'int main()':

a3.cpp:4:8: error: use of deleted function 'main()::& main()::::operator=(const main()::&)'

    4 |   f2 = f1;

      |        ^~

a3.cpp:2:14: note: a lambda closure type has a deleted copy assignment operator

    2 |   auto f1 = []{};

      |              ^

 

希望通过本文，对理解Lambda有所帮助。

8. 参考资料

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