C++ lambda 分析

lambda 表达式分析

构造闭包：能够捕获作用域中变量的匿名函数的对象，Lambda 表达式是纯右值表达式，其类型是独有的无名非联合非聚合类类型，被称为闭包类型（closure type），所以在声明的时候必须使用 auto 来声明。

在其它语言如lua中，闭包的格式相对更为简单，可以使用 lambda 表达式作用域的所有变量，并且返回闭包

local function add10(arg)
	local i = 10
	local ret = function()
		i = i - 1
		return i + arg
	end
	return ret
end

print( add10(1)() ) -- 10

C++ 中则显得复杂些，也提供了更多的功能来控制闭包函数的属性。

lambda 和 std::function

虽然 lambda 的使用和函数对象的调用方式有相似之处，

std::function<int(int, int)> add2 = [&](int a, int b) -> int {
    return a + b + val + f1.value;
};

但他们并不是同一种东西，lambda 的类型是不可知的（在编译期决定），使用 sizeof 两者的大小也是不相同的，std::function 是函数对象，通过消除类型再重载 operator() 达到调用的效果，只要这个函数满足可以调用的条件，就可以使用std::function保存起来，这也是上面例子的体现。

语法 C++ 17

• [ 捕获 ] ( 形参 ) 说明符(可选) 异常说明 -> ret { 函数体 }
  • 全量声明
• [ 捕获 ] ( 形参 ) -> ret { 函数体 }
  • const lambda 声明，复制捕获 的对象在 lambda 体内为 const
• [ 捕获 ] ( 形参 ) { 函数体 }
  • 省略返回类型的声明，返回的类型从函数体的返回推导
• [ 捕获 ] { 函数体 }
  • 无实参的函数

说明符 ：

• mutable, 允许 函数体 修改各个复制捕获的形参
• constexpr C++ 17, 显式指定函数调用符为 constexpr，当函数体满足 constexpr函数要求时，即使未显式指定，也会是 constexpr

异常说明 ：提供 throw 或者 noexpect 字句

使用如下：

struct Foo {
    int value;
    Foo() : value(1) { std::cout << "Foo::Foo();\n"; }
    Foo(const Foo &other) {
        value = other.value;
        std::cout << "Foo::Foo(const Foo &)\n";
    }
    ~Foo() {
        value = 0;
        std::cout << "Foo::~Foo();\n";
    }
};

int main() {
    int val = 7;
    Foo f1;
    auto add1 = [&](int a, int b) mutable noexcept->int {
        return a + b + val + f1.value;
    };

    // 使用 std::function 包装
    std::function<int(int, int)> add2 = [&](int a, int b) -> int {
        f1.value = val;  // OK，引用捕获
        return a + b + val + f1.value;
    };
    auto add3 = [&](int a, int b) { return a + b + val + f1.value; };
    auto add4 = [=] {
        // f1.value = val; // 错误，复制捕获 的对象在 lambda 体内为 const
        return val + f1.value;
    };

    // 全 auto 也是可以，返回的这个 auto 不写也行
    auto add5 = [=](auto a, int b) -> auto { return a + b; };
}

// 输出：
Foo::Foo();
Foo::Foo(const Foo &)
Foo::~Foo();
Foo::~Foo();

Lambda 捕获

• &（以引用隐式捕获被使用的自动变量）
• =（以复制隐式捕获被使用的自动变量）

当出现任一默认捕获符时，都能隐式捕获当前对象（this）。当它被隐式捕获时，始终被以引用捕获，即使默认捕获符是 = 也是如此。~~当默认捕获符为 = 时，（this） 的隐式捕获被弃用。 (C++20 起)~~，见this分析

捕获 中单独的捕获符的语法是

• 标识符
  • 简单以复制捕获
• 标识符 ...
  • 作为包展开的简单以复制捕获
• 标识符 初始化器
  • 带初始化器的以复制捕获
• & 标识符
  • 简单以引用捕获
• & 标识符 ...
  • 作为包展开的简单引用捕获
• & 标识符 初始化器
  • 带初始化器的以引用捕获
• this
  • 当前对象的简单以引用捕获
• *this
  • 当前对象的简单以复制捕获, C++17

捕获列表可以不同的捕获方式，当默认捕获符是 & 时，后继的简单捕获符必须不以 & 开始, 当默认捕获符是 = 时，后继的简单捕获符必须以 & 开始，或者为 *this (C++17 起) 或 this (C++20 起).

在上面的示例main中增加，部分代码如下，包括了两种捕获方式，及在函数体内修改lambda捕获变量的值，及返回对象

    Foo f1;
    Foo f2;
    int val = 7;
    auto add6 = [=, &f2](int a) mutable {
        f2.value *= a;
        f1.value += f2.value + val;
        return f1;
    };

    Foo f3 = add6(3);

又到了喜闻乐见反汇编的情况了，看看编译器是怎么实现的lambda表达式的。

_ZZ4mainENUliE_clEi:
.LFB10:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$32, %rsp
	movq	%rdi, -8(%rbp)
	movq	%rsi, -16(%rbp)
	movl	%edx, -20(%rbp)   // int a
	movq	-16(%rbp), %rax   // -16(%rbp) = & this(f2)，每次都这么赋值，没优化的指令真的很冗余
	movq	(%rax), %rax
	movl	(%rax), %edx      // %edx = f2.value
	movq	-16(%rbp), %rax
	movq	(%rax), %rax
	imull	-20(%rbp), %edx   // %edx = f2.value * a
	movl	%edx, (%rax)	  // f2.value = %edx
	movq	-16(%rbp), %rax
	movl	8(%rax), %edx     // 在main函数中 -32(%rbp) + 8 = -24(%rbp) 也就是copy构造函数产生的 this 指针
	movq	-16(%rbp), %rax   // 以下的就是那些加减了，
	movq	(%rax), %rax
	movl	(%rax), %ecx
	movq	-16(%rbp), %rax
	movl	12(%rax), %eax
	addl	%ecx, %eax
	addl	%eax, %edx
	movq	-16(%rbp), %rax
	movl	%edx, 8(%rax)
	movq	-16(%rbp), %rax
	leaq	8(%rax), %rdx
	movq	-8(%rbp), %rax
	movq	%rdx, %rsi        // 上一个copy构造函数内的 this 指针
	movq	%rax, %rdi        // copy构造的this指针
	call	_ZN3FooC1ERKS_    // 继续调用copy构造函数，返回
	movq	-8(%rbp), %rax
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc

// lambda 的析构函数，这个函数是隐式声明的
_ZZ4mainENUliE_D2Ev:
.LFB12:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$16, %rsp
	movq	%rdi, -8(%rbp)
	movq	-8(%rbp), %rax
	addq	$8, %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev
	nop
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc

main:
.LFB9:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$48, %rsp
	movl	$7, -4(%rbp)     // int val = 7;
	leaq	-8(%rbp), %rax   // -8(%rbp) = this(f1)
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooC1Ev       // Foo f1;
	leaq	-12(%rbp), %rax   // -12(%rbp) = this(f2)
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooC1Ev       // Foo f2;
	leaq	-12(%rbp), %rax
	movq	%rax, -32(%rbp)   // -32(%rbp) = this(f2)
	leaq	-8(%rbp), %rax    // 取 this(f1)
	leaq	-32(%rbp), %rdx
	addq	$8, %rdx          // copy 构造函数的 this = -24(%rbp)，记住这个 24
	movq	%rax, %rsi        // 第二个参数 this（f1）
	movq	%rdx, %rdi        // 第一个参数，调用copy构造函数的 this
	call	_ZN3FooC1ERKS_    // Foo(const Foo &);
	movl	-4(%rbp), %eax
	movl	%eax, -20(%rbp)   // -20(%rbp) = 7
	leaq	-36(%rbp), %rax
	leaq	-32(%rbp), %rcx
	movl	$3, %edx
	movq	%rcx, %rsi        // 第二个参数 this(f2) 的地址（两次 leaq）
	movq	%rax, %rdi        // 需要返回的 Foo 对象的 this 指针
	call	_ZZ4mainENUliE_clEi // lambda 的匿名函数
	leaq	-36(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev
	leaq	-32(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZZ4mainENUliE_D1Ev // 析构函数
	leaq	-12(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev
	leaq	-8(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev
	movl	$0, %eax
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc

上面的汇编代码相对cpp代码还是比较多的，由于一些隐含规则的约束下，编译器做了很多的工作，产生的代码的顺序就比较混乱

1. 使用 = 值捕获时，会先调用copy构造函数
2. 使用 & 引用捕获时，将捕获对象的引用（地址）作为隐式参数传给匿名函数
3. 编译器不仅会产生匿名函数，还会有一个析构函数产生，这个函数负责调用在匿名函数内的析构函数

生命周期

lambda表达式相关的对象的生命周期，见上反汇编：

1. 全局，更外层作用域的生命周期不受影响
2. 使用值捕获的情况，先于lambda表达式函数体构造对象，后于函数体执行完析构
3. 在lambda表达式函数体内的对象，在函数体执行时创建，在闭包析构函数内析构
4. lambda 对象的生命周期为所在作用域结束，析构的顺序为声明的逆序析构

this

使用 -std=c++14 生成的汇编代码在 =，&，this 捕获的情况下，产生的汇编代码几乎一样，都是使用的引用（this地址）传参，使用 -std=c++2a 的情况下，编译器不推荐使用值捕获的方式（虽然还是使用的引用捕获）。

TODO

1. 补全对参数包的分析

参考

lambda 表达式，cppreference Lambda 表达式 (C++11 起)。