C++中lambda表达式详解与原理分析
2018-03-20 23:54
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lambda表达式的本质就是重载了()运算符的类，这种类通常被称为functor，即行为像函数的类。因此lambda表达式对象其实就是一个匿名的functor。
各项具体含义如下
capture list：捕获外部变量列表
params list：形参列表
mutable指示符：用来说用是否可以修改捕获的变量
exception：异常设定
return type：返回类型
function body：函数体
此外，我们还可以省略其中的某些成分来声明“不完整”的lambda表达式，常见的有以下几种：
其中：
格式1声明了const类型的表达式，这种类型的表达式不能修改捕获列表中的值。
格式2省略了返回值类型，但编译器可以根据以下规则推断出Lambda表达式的返回类型：
如果function body中存在return语句，则该Lambda表达式的返回类型由return语句的返回类型确定
如果function body中没有return语句，则返回值为void类型。
格式3中省略了参数列表，类似普通函数中的无参函数。
可以看到，调用该functor时，call到的是一个lambda对象的operator()位置，该位置反汇编代码如下：
注意：
如果在lambda表达式中忽略括号和形参列表，则相当于指定的函数没有入参。
lambda表达式中不能指定参数的默认值。
如果忽略返回值类型，则由编译器做自动类型推断，详细规则如第一部分所示。
需要注意的是，不能在lambda表达式中修改捕获变量的值。其实根据上面的反汇编分析，我们已经知道，lambda表达式中的代码是在一个单独的函数中执行的，这个函数在调用时创建了自己的栈帧，而其使用的nTest1局部变量在testFunc1的栈帧中，虽然通过ebp可以进行栈帧回溯，但显然这是一种不合情理的做法。因此可以断定，捕获列表中出现的局部变量一定会通过某种方式传递给lambda匿名类。到底采用的是哪种方式呢？我们来揭晓答案：
基本可以断定，nTest是在lambda匿名类构造时传入的。并且传入的是nTest1的引用（由于C++的引用本身就是语法糖，反汇编层面看到的是指针，但是结合源码分析不难得出这里应该是引用）。下面跟踪进其构造函数一探究竟：
由此可以确定，lambda匿名类会将捕获参数中的变量添加到其成员变量中，并设置一个带有该参数引用类型的构造函数。最后再来看看在其operator()函数中是怎样使用捕获变量的：
真相大白了，值捕获时，C++编译器在构建lambda表达式的匿名类时将局部变量的引用传入，并在构造函数中完成对相应成员变量的赋值。在调用其operator()函数时，如果用到了捕获列表中的局部变量，则从给匿名类对象的成员变量中取出。
这个结果有点诡异，按说传递引用并进行修改以后，结果应该会对外部的局部变量产生影响，但这里并没有。反汇编看看什么情况：
可以看到，lambda表达式匿名对象在构造函数中依然传入了nTest的地址（引用），下面看看构造函数：
哈哈，注意这句 mov dword ptr [eax],ecx ，由于构造函数调用时，传入的是nTest1的地址，这里渠道地址后，直接存到了成员对象中。而在其operator()函数中，取出nTest1值的代码如下：
可以看到，是通过成员变量中的指针完成的。此外再看看对其赋值的操作：
也是用指针完成的。其实这时nTest1的值已经被修改了。但是为什么cout打印出来还是2333呢？这其实是由于cout时从由向左压入参数的结果，再仔细看看：
注意前两句，已将调用lambda对象前的值压栈了，则传入的值当然是2333。但在cout语句执行后查看nTest1的值，其实已经被修改为131了。
下面将所有捕获方式总结如下：
C++中lambda表达式的构成
一个标准的lambda表达式包括：捕获列表、参数列表、mutable指示符、尾置返回类型（->返回类型）和函数体：[capture list] (params list) mutable exception-> return type { function body }各项具体含义如下
capture list：捕获外部变量列表
params list：形参列表
mutable指示符：用来说用是否可以修改捕获的变量
exception：异常设定
return type：返回类型
function body：函数体
此外，我们还可以省略其中的某些成分来声明“不完整”的lambda表达式，常见的有以下几种：
| 序号 | 格式 |
|---|---|
| 1 | [capture list] (params list) -> return type {function body} |
| 2 | [capture list] (params list) {function body} |
| 3 | [capture list] {function body} |
格式1声明了const类型的表达式，这种类型的表达式不能修改捕获列表中的值。
格式2省略了返回值类型，但编译器可以根据以下规则推断出Lambda表达式的返回类型：
如果function body中存在return语句，则该Lambda表达式的返回类型由return语句的返回类型确定
如果function body中没有return语句，则返回值为void类型。
格式3中省略了参数列表，类似普通函数中的无参函数。
简单lambda表达式及其原理分析
在VS2017中构造一个简单的lambda表达式如下：auto f = [] (int a, int b) -> int
{
return a + b + 42;
};
003A3BC0 6A 03 push 3
003A3BC2 6A 04 push 4
003A3BC4 8D 4D EB lea ecx,[f]
003A3BC7 E8 04 E4 FF FF call <lambda_f2fe7ac06244f603e089b2eaef4ffd5c>::operator() (03A1FD0h)
cout << f(4, 3) << endl;可以看到，调用该functor时，call到的是一个lambda对象的operator()位置，该位置反汇编代码如下：
00BA1FD0 55 push ebp 00BA1FD1 8B EC mov ebp,esp 00BA1FD3 81 EC CC 00 00 00 sub esp,0CCh ; 省略一堆东西 00BA1FF0 89 4D F8 mov dword ptr [this],ecx 49: return a + b + 42; 00BA1FF3 8B 45 0C mov eax,dword ptr [b] 00BA1FF6 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [a] 00BA1FF9 8D 44 01 2A lea eax,[ecx+eax+2Ah] 50: }; ; 省略一堆东西 00BA2000 8B E5 mov esp,ebp 00BA2002 5D pop ebp 00BA2003 C2 08 00 ret 8
注意：
如果在lambda表达式中忽略括号和形参列表，则相当于指定的函数没有入参。
lambda表达式中不能指定参数的默认值。
如果忽略返回值类型，则由编译器做自动类型推断，详细规则如第一部分所示。
捕获列表
由于lambda表达式是在某函数内定义的，因此我们可能希望其能使用函数内的局部变量，这时则可以使用所谓捕获列表。总体说来，一共有三种捕获方式：值捕获、引用捕获和外部捕获。值捕获
值捕获和参数传递中的值传递类似，被捕获的变量的值在Lambda表达式创建时通过值拷贝的方式传入，因此随后对该变量的修改不会影响影响Lambda表达式中的值。在VS2017中创建如下代码并加以分析：int testFunc1()
{
int nTest1 = 23;
auto f = [nTest1] (int a, int b) -> int
{
return a + b + 42 + nTest1;
//nTest1 = 333; 不能在lambda表达式中修改捕获变量的值
};
cout << f(4, 3) << "&nTest1=" << nTest1 << endl;
}需要注意的是，不能在lambda表达式中修改捕获变量的值。其实根据上面的反汇编分析，我们已经知道，lambda表达式中的代码是在一个单独的函数中执行的，这个函数在调用时创建了自己的栈帧，而其使用的nTest1局部变量在testFunc1的栈帧中，虽然通过ebp可以进行栈帧回溯，但显然这是一种不合情理的做法。因此可以断定，捕获列表中出现的局部变量一定会通过某种方式传递给lambda匿名类。到底采用的是哪种方式呢？我们来揭晓答案：
49: auto f = [nTest1] (int a, int b) -> int
50: {
51: return a + b + 42 + nTest1;
52: };
01183C08 8D 45 E8 lea eax,[nTest1]
01183C0B 50 push eax
01183C0C 8D 4D DC lea ecx,[f]
01183C0F E8 0C E3 FF FF call <lambda_ed51e51ff76776313a28b716c94bbc2d>::<lambda_ed51e51ff76776313a28b716c94bbc2d> (01181F20h)
; 省略无关代码
54: cout << f(4, 3) << "&nTest1=" << nTest1 << endl;
01183C1D 8B 45 E8 mov eax,dword ptr [nTest1]
01183C20 50 push eax
01183C21 68 40 BE 18 01 push offset string "&nTest1=" (0118BE40h)
01183C26 6A 03 push 3
01183C28 6A 04 push 4
01183C2A 8D 4D DC lea ecx,[f]
01183C2D E8 4E F7 FF FF call <lambda_ed51e51ff76776313a28b716c94bbc2d>::operator() (01183380h)基本可以断定，nTest是在lambda匿名类构造时传入的。并且传入的是nTest1的引用（由于C++的引用本身就是语法糖，反汇编层面看到的是指针，但是结合源码分析不难得出这里应该是引用）。下面跟踪进其构造函数一探究竟：
01181F20 55 push ebp 01181F21 8B EC mov ebp,esp 01181F23 81 EC CC 00 00 00 sub esp,0CCh ; 省略部分现场保护和堆栈填充int 3的代码 01181F40 89 4D F8 mov dword ptr [this],ecx ; 01181F40 89 4D F8 mov dword ptr [ebp-8],ecx 01181F43 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [this] ; 01181F43 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [ebp-8] 01181F46 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [<nTest1>] ; 01181F46 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [ebp+8] 01181F49 8B 11 mov edx,dword ptr [ecx] 01181F4B 89 10 mov dword ptr [eax],edx 01181F4D 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [this] ; 01181F4D 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [ebp-8] ; 省略部分现场恢复代码 01181F53 8B E5 mov esp,ebp 01181F55 5D pop ebp 01181F56 C2 04 00 ret 4
由此可以确定，lambda匿名类会将捕获参数中的变量添加到其成员变量中，并设置一个带有该参数引用类型的构造函数。最后再来看看在其operator()函数中是怎样使用捕获变量的：
49: auto f = [nTest1] (int a, int b) -> int
50: {
01183380 55 push ebp
01183381 8B EC mov ebp,esp
01183383 81 EC CC 00 00 00 sub esp,0CCh
; 省略部分现场保护和堆栈填充int 3的代码
011833A0 89 4D F8 mov dword ptr [this],ecx
51: return a + b + 42 + nTest1;
011833A3 8B 45 08 mov eax,dword ptr [a]
011833A6 03 45 0C add eax,dword ptr [b]
011833A9 8B 4D F8 mov ecx,dword ptr [this]
011833AC 8B 11 mov edx,dword ptr [ecx]
011833AE 8D 44 10 2A lea eax,[eax+edx+2Ah]
52: };
; 省略部分现场恢复代码
011833B5 8B E5 mov esp,ebp
011833B7 5D pop ebp
011833B8 C2 08 00 ret 8真相大白了，值捕获时，C++编译器在构建lambda表达式的匿名类时将局部变量的引用传入，并在构造函数中完成对相应成员变量的赋值。在调用其operator()函数时，如果用到了捕获列表中的局部变量，则从给匿名类对象的成员变量中取出。
引用捕获
使用引用捕获一个外部变量，需在捕获列表变量前面加上一个引用说明符&。如下：void fnTest()
{
int nTest1 = 23;
auto f = [&nTest1] (int a, int b) -> int
{
cout << "In functor before change nTest=" << nTest1 << endl; //nTest1=23333
nTest1 = 131;
cout << "In functor after change nTest=" << nTest1 << endl; // nTest1 = 131
return a + b + 42 + nTest1;
};
nTest1 = 23333;
cout << f(4, 3) << "&nTest1=" << nTest1 << endl; //nTest1 = 23333
}这个结果有点诡异，按说传递引用并进行修改以后，结果应该会对外部的局部变量产生影响，但这里并没有。反汇编看看什么情况：
00C23C01 C7 45 E8 17 00 00 00 mov dword ptr [nTest1],17h
48:
49: auto f = [&nTest1] (int a, int b) -> int
50: {
51: cout << "In functor before change nTest=" << nTest1 << endl; //nTest1=23333
52: nTest1 = 131;
53: cout << "In functor after change nTest=" << nTest1 << endl; // nTest1 = 131
54: return a + b + 42 + nTest1;
55: };
00C23C08 8D 45 E8 lea eax,[nTest1]
00C23C0B 50 push eax
00C23C0C 8D 4D DC lea ecx,[f]
00C23C0F E8 0C E3 FF FF call <lambda_856c2229edde1846e85c005aaea059db>::<lambda_856c2229edde1846e85c005aaea059db> (0C21F20h)
56:
57: nTest1 = 23333;
00C23C14 C7 45 E8 25 5B 00 00 mov dword ptr [nTest1],5B25h
58:
59: cout << f(4, 3) << "&nTest1=" << nTest1 << endl; //nTest1 = 23333
00C23C1B 8B F4 mov esi,esp
00C23C1D 68 DC 10 C2 00 push offset std::endl<char,std::char_traits<char> > (0C210DCh)
58:
59: cout << f(4, 3) << "&nTest1=" << nTest1 << endl; //nTest1 = 23333
00C23C22 8B FC mov edi,esp
00C23C24 8B 45 E8 mov eax,dword ptr [nTest1]
00C23C27 50 push eax
00C23C28 68 90 BB C2 00 push offset string "&nTest1=" (0C2BB90h)
00C23C2D 6A 03 push 3
00C23C2F 6A 04 push 4
00C23C31 8D 4D DC lea ecx,[f]
00C23C34 E8 B7 02 00 00 call <lambda_856c2229edde1846e85c005aaea059db>::operator() (0C23EF0h)可以看到，lambda表达式匿名对象在构造函数中依然传入了nTest的地址（引用），下面看看构造函数：
; 省略一大堆现场保护代码 00C21F40 89 4D F8 mov dword ptr [this],ecx 00C21F43 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [this] 00C21F46 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [<nTest1>] 00C21F49 89 08 mov dword ptr [eax],ecx 00C21F4B 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [this] ; 省略一大堆现场恢复代码
哈哈，注意这句 mov dword ptr [eax],ecx ，由于构造函数调用时，传入的是nTest1的地址，这里渠道地址后，直接存到了成员对象中。而在其operator()函数中，取出nTest1值的代码如下：
00C23F1A 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [this] 00C23F1D 8B 08 mov ecx,dword ptr [eax] 00C23F1F 8B FC mov edi,esp 00C23F21 8B 11 mov edx,dword ptr [ecx]
可以看到，是通过成员变量中的指针完成的。此外再看看对其赋值的操作：
52: nTest1 = 131; 00C23F55 8B 45 F8 mov eax,dword ptr [this] 00C23F58 8B 08 mov ecx,dword ptr [eax] 00C23F5A C7 01 83 00 00 00 mov dword ptr [ecx],83h
也是用指针完成的。其实这时nTest1的值已经被修改了。但是为什么cout打印出来还是2333呢？这其实是由于cout时从由向左压入参数的结果，再仔细看看：
00C23C24 8B 45 E8 mov eax,dword ptr [nTest1] 00C23C27 50 push eax ; eax=2333 00C23C28 68 90 BB C2 00 push offset string "&nTest1=" (0C2BB90h) 00C23C2D 6A 03 push 3 00C23C2F 6A 04 push 4
注意前两句，已将调用lambda对象前的值压栈了，则传入的值当然是2333。但在cout语句执行后查看nTest1的值，其实已经被修改为131了。
隐式捕获
上面的值捕获和引用捕获都需要我们在捕获列表中显示列出Lambda表达式中使用的外部变量。除此之外，我们还可以让编译器根据函数体中的代码来推断需要捕获哪些变量，这种方式称之为隐式捕获。隐式捕获有两种方式，分别是[=]和[&]。[=]表示以值捕获的方式捕获外部变量，[&]表示以引用捕获的方式捕获外部变量。下面将所有捕获方式总结如下：
| 捕获形式 | 说明 |
|---|---|
| [] | 不捕获任何外部变量 |
| [变量名, …] | 默认以值得形式捕获指定的多个外部变量（用逗号分隔），如果引用捕获，需要显示声明（使用&说明符） |
| [this] | 以值的形式捕获this指针 |
| [=] | 以值的形式捕获所有外部变量 |
| [&] | 以引用形式捕获所有外部变量 |
| [=, &x] | 变量x以引用形式捕获，其余变量以传值形式捕获 |
| [&, x] | 变量x以值的形式捕获，其余变量以引用形式捕获 |
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