C++ lambda 捕获模式与右值引用的使用

2023-07-28 07:13:13 78

lambda表达式和右值引用是C++11的两个非常有用的特性。

lambda表达式实际上会由编译器创建一个 std::function对象，以值的方式捕获的变量则会由编译器复制一份，在 std::function对象中创建一个对应的类型相同的const成员变量，如下面的这段代码：

intmain(){
std::stringstr="test";
printf("Stringaddress%pinmain,str%s\n",&str,str.c_str());
autofunca=[str](){
printf("Stringaddress%p(mainlambda),str%s\n",&str,str.c_str());
};

std::functionfuncb=funca;
std::functionfuncc;
funcc=funca;

printf("funca\n");
funca();

std::functionfuncd=std::move(funca);
printf("funca\n");
funca();

printf("funcb\n");
funcb();

std::functionfunce;
funce=std::move(funcb);

printf("funcb\n");
//funcb();

printf("funcc\n");
funcc();

printf("funcd\n");
funcd();

printf("funce\n");
funce();

//std::functionfuncf=funce;

return0;
}

这段代码的输出如下：

Stringaddress0x7ffd9aaab720inmain,strtest
funca
Stringaddress0x7ffd9aaab740(mainlambda),strtest
funca
Stringaddress0x7ffd9aaab740(mainlambda),str
funcb
Stringaddress0x55bdd2160280(mainlambda),strtest
funcb
funcc
Stringaddress0x55bdd21602b0(mainlambda),strtest
funcd
Stringaddress0x55bdd21602e0(mainlambda),strtest
funce
Stringaddress0x55bdd2160280(mainlambda),strtest

由上面调用 funca时的输出，可以看到lambda表达式以值的方式捕获的对象str，其地址在lambda表达式内部和外部是不同的。

std::function类对象和普通的魔板类对象一样，可以拷贝构造，如：

std::functionfuncb=funca;

由调用 funcb时的输出，可以看到拷贝构造时是做了逐成员的拷贝构造。

std::function类对象可以赋值，如：

std::functionfuncc;
funcc=funca;

由调用 funcc时的输出，可以看到赋值时是做了逐成员的赋值。

std::function类对象可以移动构造，如：

std::functionfuncd=std::move(funca);

由移动构造之后，调用 funca和 funcd时的输出，可以看到移动构造时是做了逐成员的移动构造。

std::function类对象可以移动赋值，如：

std::functionfunce;
funce=std::move(funcb);

printf("funcb\n");
//funcb();

这里把移动赋值之后对 funcb的调用注释掉了，这是因为，作为源的 funcb在移动赋值之后被调用是，会抛出异常，如：

Stringaddress0x562334c34280(mainlambda),strtest
funcb
terminatecalledafterthrowinganinstanceof'std::bad_function_call'
what():bad_function_call

同时，由调用 funce时的输出可以看到，该输出与 funcb在移动赋值之前被调用时的输出完全相同。即移动赋值是将对象整体move走了，这与移动构造时的行为不太一样。

std::function类对象的拷贝构造或者赋值，也需要满足类型匹配原则，如：

std::functionfuncf=funce;

这行代码会造成编译失败，编译错误信息如下：

../src/DemoTest.cpp:Infunction‘intmain()':
../src/DemoTest.cpp:64:36:error:conversionfrom‘std::function'tonon-scalartype‘std::function'requested
std::functionfuncf=funce;
^~~~~
make:***[src/DemoTest.o]Error1
src/subdir.mk:18:recipefortarget'src/DemoTest.o'failed

在lambda中以值的方式捕获的右值对象，只是在lambda的std::function对象中做了一份被捕获的右值对象的拷贝，而原来的右值则没有任何改变。

接下来再来看一段示例代码：

#include
#include
#include

usingnamespacestd;

voidfuncd(std::string&&str){
printf("Stringaddress%pinfuncdA,str%s\n",&str,str.c_str());
stringstrs=std::move(str);
printf("Stringaddress%pinfuncdB,str%s,strs%s\n",&str,str.c_str(),strs.c_str());
}

voidfuncc(std::stringstr){
printf("Stringaddress%pinfuncc,str%s\n",&str,str.c_str());
}

voidfuncb(std::string&str){
printf("Stringaddress%pinfuncb,str%s\n",&str,str.c_str());
}

voidfunca(std::string&&str){
printf("Stringaddress%pinfuncaA,str%s\n",&str,str.c_str());
std::stringstra=str;
printf("Stringaddress%pinfuncaB,str%s,stra%s\n",&str,str.c_str(),stra.c_str());
}

intmain(){
std::stringstr="test";
printf("Stringaddress%pinmainA,str%s\n",&str,str.c_str());

funca(std::move(str));
printf("Stringaddress%pinmainB,str%s\n",&str,str.c_str());

//funcb(std::move(str));
printf("Stringaddress%pinmainC,str%s\n",&str,str.c_str());

funcc(std::move(str));
printf("Stringaddress%pinmainD,str%s\n",&str,str.c_str());

std::stringstra="testa";
printf("Stringaddress%pinmainE,stra%s\n",&stra,stra.c_str());

funcd(std::move(stra));
printf("Stringaddress%pinmainF,stra%s\n",&stra,stra.c_str());

return0;
}

上面这段代码在执行时，输出如下：

Stringaddress0x7ffc833f4660inmainA,strtest
Stringaddress0x7ffc833f4660infuncaA,strtest
Stringaddress0x7ffc833f4660infuncaB,strtest,stratest
Stringaddress0x7ffc833f4660inmainB,strtest
Stringaddress0x7ffc833f4660inmainC,strtest
Stringaddress0x7ffc833f4680infuncc,strtest
Stringaddress0x7ffc833f4660inmainD,str
Stringaddress0x7ffc833f4680inmainE,stratesta
Stringaddress0x7ffc833f4680infuncdA,strtesta
Stringaddress0x7ffc833f4680infuncdB,str,strstesta
Stringaddress0x7ffc833f4680inmainF,stra

funca函数接收右值引用作为参数，由 funca函数内部及函数调用前后的输出可以看到， std::move()本身什么都没做，单单调用 std::move()并不会将原来的对象的内容移动到任何地方。 std::move()只是一个简单的强制类型转换，将左值转为右值引用。同时可以看到，用右值引用作为参数构造对象，也并没有对右值引用所引用的对象产生任何影响。

funcb函数接收左值引用作为参数，上面的代码中，如下这一行注释掉了：

//funcb(std::move(str));

这是因为， funcb不能用一个右值引用作为参数来调用。用右值引用作为参数，调用接收左值引用作为参数的函数 funcb时，会编译失败：

g++-O0-g3-Wall-c-fmessage-length=0-MMD-MP-MF"src/DemoTest.d"-MT"src/DemoTest.o"-o"src/DemoTest.o""../src/DemoTest.cpp"
../src/DemoTest.cpp:Infunction‘intmain()':
../src/DemoTest.cpp:34:18:error:cannotbindnon-constlvaluereferenceoftype‘std::__cxx11::string&{akastd::__cxx11::basic_string&}'toanrvalueoftype‘std::remove_reference&>::type{akastd::__cxx11::basic_string}'
funcb(std::move(str));
~~~~~~~~~^~~~~
../src/DemoTest.cpp:17:6:note: initializingargument1of‘voidfuncb(std::__cxx11::string&)'
voidfuncb(std::string&str){
^~~~~
src/subdir.mk:18:recipefortarget'src/DemoTest.o'failed
make:***[src/DemoTest.o]Error1

不过，如果 funcb接收const左值引用作为参数，如 voidfuncb(conststd::string&str)，则在调用该函数时，可以用右值引用作为参数，此时 funcb的行为与 funca基本相同。

funcc函数接收左值作为参数，由 funcc函数内部及函数调用前后的输出可以看到，由于有了左值作为接收者，传入的右值引用所引用的对象的值被move走，进入函数的参数栈对象中了。

funcd函数与 funca函数一样，接收右值引用作为参数，但 funcd的特别之处在于，在函数内部，右值构造了一个新的对象，因而右值引用原来引用的对象的值被move走，进入了新构造的对象中。

再来看一段示例代码：

#include
#include
#include

usingnamespacestd;

voidbar(std::string&&str){
printf("Stringaddress%pinbarA,str%s\n",&str,str.c_str());
stringstrs=std::move(str);
printf("Stringaddress%pinbarB,str%s,strs%s\n",&str,str.c_str(),strs.c_str());
}

std::functionbar_bar(std::string&&str){
autofunf=[&str](){
printf("Stringaddress%p(foolambda)F,stra%s\n",&str,str.c_str());
};
returnfunf;
}

std::functionfoo(std::string&&str){
printf("Stringaddress%pinfooA,str%s\n",&str,str.c_str());

//autofuna=[str](){
//printf("Stringaddress%p(foolambda)A,str%s\n",&str,str.c_str());
//bar(str);
//};
//funa();
//
//autofunb=[str](){
//printf("Stringaddress%p(foolambda)B,str%s\n",&str,str.c_str());
//bar(std::move(str));
//};
//funb();

//autofunc=[str]()mutable{
//printf("Stringaddress%p(foolambda)C,str%s\n",&str,str.c_str());
//bar(str);
//};
//func();

autofund=[str]()mutable{
printf("Stringaddress%p(foolambda)D,str%s\n",&str,str.c_str());
bar(std::move(str));
};
fund();

autofune=[&str](){
printf("Stringaddress%p(foolambda)E,str%s\n",&str,str.c_str());
bar(std::move(str));
};
fune();

std::stringstra="testa";
returnbar_bar(std::move(stra));
}

intmain(){
std::stringstr="test";
printf("Stringaddress%pinmainA,str%s\n",&str,str.c_str());

autofuncg=foo(std::move(str));
printf("Stringaddress%pinmainB,str%s\n",&str,str.c_str());

funcg();

return0;
}

上面这段代码的输出如下：

Stringaddress0x7ffc9fe7c5c0inmainA,strtest
Stringaddress0x7ffc9fe7c5c0infooA,strtest
Stringaddress0x7ffc9fe7c540(foolambda)D,strtest
Stringaddress0x7ffc9fe7c540inbarA,strtest
Stringaddress0x7ffc9fe7c540inbarB,str,strstest
Stringaddress0x7ffc9fe7c5c0(foolambda)E,strtest
Stringaddress0x7ffc9fe7c5c0inbarA,strtest
Stringaddress0x7ffc9fe7c5c0inbarB,str,strstest
Stringaddress0x7ffc9fe7c5c0inmainB,str
Stringaddress0x7ffc9fe7c560(foolambda)F,stra��

在函数 foo()中定义的 funa及对 funa的调用被注释掉了，这是因为这段代码会导致编译失败，具体的错误信息如下：

Invoking:GCCC++Compiler
g++-O0-g3-Wall-c-fmessage-length=0-MMD-MP-MF"src/DemoTest.d"-MT"src/DemoTest.o"-o"src/DemoTest.o""../src/DemoTest.cpp"
../src/DemoTest.cpp:Inlambdafunction:
../src/DemoTest.cpp:25:12:error:cannotbindrvaluereferenceoftype‘std::__cxx11::string&&{akastd::__cxx11::basic_string&&}'tolvalueoftype‘conststring{akaconststd::__cxx11::basic_string}'
bar(str);
^
../src/DemoTest.cpp:7:6:note: initializingargument1of‘voidbar(std::__cxx11::string&&)'
voidbar(std::string&&str){
^~~
src/subdir.mk:18:recipefortarget'src/DemoTest.o'failed
make:***[src/DemoTest.o]Error1

如我们前面提到的，在lambda表达式中，以值的方式捕获右值引用时，会在编译器为该lambda表达式生成的 std::function类中生成一个const对象，const对象是不能作为右值引用来调用接收右值引用为参数的函数的。

在函数 foo()中定义的 funb，相对于 funa，在调用 bar()时，为 str裹上了 std::move()。不过此时还是会编译失败。错误信息如下：

Invoking:GCCC++Compiler
g++-O0-g3-Wall-c-fmessage-length=0-MMD-MP-MF"src/DemoTest.d"-MT"src/DemoTest.o"-o"src/DemoTest.o""../src/DemoTest.cpp"
../src/DemoTest.cpp:Inlambdafunction:
../src/DemoTest.cpp:31:18:error:bindingreferenceoftype‘std::__cxx11::string&&{akastd::__cxx11::basic_string&&}'to‘std::remove_reference&>::type{akaconststd::__cxx11::basic_string}'discardsqualifiers
bar(std::move(str));
~~~~~~~~~^~~~~
../src/DemoTest.cpp:7:6:note: initializingargument1of‘voidbar(std::__cxx11::string&&)'
voidbar(std::string&&str){
^~~
make:***[src/DemoTest.o]Error1
src/subdir.mk:18:recipefortarget'src/DemoTest.o'failed

在 funb中， str是个const对象，因而还是不行。

在函数 foo()中定义的 func，相对于 funa，加了 mutable修饰。此时还是会编译失败。错误信息如下：

Invoking:GCCC++Compiler
g++-O0-g3-Wall-c-fmessage-length=0-MMD-MP-MF"src/DemoTest.d"-MT"src/DemoTest.o"-o"src/DemoTest.o""../src/DemoTest.cpp"
../src/DemoTest.cpp:Inlambdafunction:
../src/DemoTest.cpp:37:12:error:cannotbindrvaluereferenceoftype‘std::__cxx11::string&&{akastd::__cxx11::basic_string&&}'tolvalueoftype‘std::__cxx11::string{akastd::__cxx11::basic_string}'
bar(str);
^
../src/DemoTest.cpp:7:6:note: initializingargument1of‘voidbar(std::__cxx11::string&&)'
voidbar(std::string&&str){
^~~
make:***[src/DemoTest.o]Error1
src/subdir.mk:18:recipefortarget'src/DemoTest.o'failed

无法将左值绑定到一个右值引用上。

在函数 foo()中定义的 fund，相对于 func，在调用 bar()时，为 str裹上了 std::move()。此时终于可以编译成功，可以moveconst的 str。

在函数 foo()中定义的 fune，相对于 funb，以引用的方式捕获了右值引用。在 fune中调用 bar()，就如同 foo()直接调用 bar()一样。

在函数 foo()中调用接收一个右值引用作为参数的函数 bar_bar()生成一个函数。在函数 bar_bar()中用lambda定义的函数对象 funf，以引用的方式捕获一个右值，并在lambda中访问改对象。该lambda作为 bar_bar()函数生成的函数对象。 foo()中调用 bar_bar()时传入函数栈上定义的临时对象 stra，并将 bar_bar()返回的函数对象作为返回值返回。在 main()函数中用 funcg接收 foo()函数返回的函数对象，并调用 funcg，此时会发生crash或能看到乱码。crash或乱码是因为，在funf中，访问的 str对象实际上是 foo()函数中定义的栈上临时对象 stra， foo()函数调用结束之后，栈上的临时对象被释放， main()函数中调用 funcg实际在访问一个无效的对象，因而出现问题。

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C++ lambda 捕获模式与右值引用的使用

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