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第6章 lambda表达式

CHAPTER 6 Lambda Expressions

lambda表达式是C++编程中的游戏规则改变者。这有点令人惊讶,因为它没有给语言带来新的表达能力。lambda可以做的所有事情都可以通过其他方式完成。但是lambda是创建函数对象相当便捷的一种方法,对于日常的C++开发影响是巨大的。没有lambda时,STL中的“_if”算法(比如,std::find_ifstd::remove_ifstd::count_if等)通常需要繁琐的谓词,但是当有lambda可用时,这些算法使用起来就变得相当方便。用比较函数(比如,std::sortstd::nth_elementstd::lower_bound等)来自定义算法也是同样方便的。在STL外,lambda可以快速创建std::unique_ptrstd::shared_ptr的自定义删除器(见Item1819),并且使线程API中条件变量的谓词指定变得同样简单(参见Item39)。除了标准库,lambda有利于即时的回调函数,接口适配函数和特定上下文中的一次性函数。lambda确实使C++成为更令人愉快的编程语言。

lambda相关的词汇可能会令人疑惑,这里做一下简单的回顾:

  • lambda表达式lambda expression)就是一个表达式。下面是部分源代码。在

    std::find_if(container.begin(), container.end(),
                 [](int val){ return 0 < val && val < 10; });   //译者注:本行高亮

    中,代码的高亮部分就是lambda

  • 闭包enclosure)是lambda创建的运行时对象。依赖捕获模式,闭包持有被捕获数据的副本或者引用。在上面的std::find_if调用中,闭包是作为第三个实参在运行时传递给std::find_if的对象。

  • 闭包类closure class)是从中实例化闭包的类。每个lambda都会使编译器生成唯一的闭包类。lambda中的语句成为其闭包类的成员函数中的可执行指令。

lambda通常被用来创建闭包,该闭包仅用作函数的实参。上面对std::find_if的调用就是这种情况。然而,闭包通常可以拷贝,所以可能有多个闭包对应于一个lambda。比如下面的代码:

{
    int x;                                  //x是局部对象auto c1 =                               //c1是lambda产生的闭包的副本
        [x](int y) { return x * y > 55; };

    auto c2 = c1;                           //c2是c1的拷贝

    auto c3 = c2;                           //c3是c2的拷贝
    …
}

c1c2c3都是lambda产生的闭包的副本。

非正式的讲,模糊lambda,闭包和闭包类之间的界限是可以接受的。但是,在随后的Item中,区分什么存在于编译期(lambdas 和闭包类),什么存在于运行时(闭包)以及它们之间的相互关系是重要的。

条款三十一:避免使用默认捕获模式

Item 31: Avoid default capture modes

C++11中有两种默认的捕获模式:按引用捕获和按值捕获。但默认按引用捕获模式可能会带来悬空引用的问题,而默认按值捕获模式可能会诱骗你让你以为能解决悬空引用的问题(实际上并没有),还会让你以为你的闭包是独立的(事实上也不是独立的)。

这就是本条款的一个总结。如果你偏向技术,渴望了解更多内容,就让我们从按引用捕获的危害谈起吧。

按引用捕获会导致闭包中包含了对某个局部变量或者形参的引用,变量或形参只在定义lambda的作用域中可用。如果该lambda创建的闭包生命周期超过了局部变量或者形参的生命周期,那么闭包中的引用将会变成悬空引用。举个例子,假如我们有元素是过滤函数(filtering function)的一个容器,该函数接受一个int,并返回一个bool,该bool的结果表示传入的值是否满足过滤条件:

using FilterContainer =                     //“using”参见条款9,
	std::vector<std::function<bool(int)>>;  //std::function参见条款2

FilterContainer filters;                    //过滤函数

我们可以添加一个过滤器,用来过滤掉5的倍数:

filters.emplace_back(                       //emplace_back的信息见条款42
	[](int value) { return value % 5 == 0; }
);

然而我们可能需要的是能够在运行期计算除数(divisor),即不能将5硬编码到lambda中。因此添加的过滤器逻辑将会是如下这样:

void addDivisorFilter()
{
    auto calc1 = computeSomeValue1();
    auto calc2 = computeSomeValue2();

    auto divisor = computeDivisor(calc1, calc2);

    filters.emplace_back(                               //危险!对divisor的引用
        [&](int value) { return value % divisor == 0; } //将会悬空!
    );
}

这个代码实现是一个定时炸弹。lambda对局部变量divisor进行了引用,但该变量的生命周期会在addDivisorFilter返回时结束,刚好就是在语句filters.emplace_back返回之后。因此添加到filters的函数添加完,该函数就死亡了。使用这个过滤器(译者注:就是那个添加进filters的函数)会导致未定义行为,这是由它被创建那一刻起就决定了的。

现在,同样的问题也会出现在divisor的显式按引用捕获。

filters.emplace_back(
    [&divisor](int value) 			    //危险!对divisor的引用将会悬空!
    { return value % divisor == 0; }
);

但通过显式的捕获,能更容易看到lambda的可行性依赖于变量divisor的生命周期。另外,写下“divisor”这个名字能够提醒我们要注意确保divisor的生命周期至少跟lambda闭包一样长。比起“[&]”传达的意思,显式捕获能让人更容易想起“确保没有悬空变量”。

如果你知道一个闭包将会被马上使用(例如被传入到一个STL算法中)并且不会被拷贝,那么在它的lambda被创建的环境中,将不会有闭包的引用比父函数的局部变量和形参活得长的风险。在这种情况下,你可能会争论说,没有悬空引用的危险,就不需要避免使用默认的引用捕获模式。例如,我们的过滤lambda只会用做C++11中std::all_of的一个实参,返回满足条件的所有元素:

template<typename C>
void workWithContainer(const C& container)
{
    auto calc1 = computeSomeValue1();               //同上
    auto calc2 = computeSomeValue2();               //同上
    auto divisor = computeDivisor(calc1, calc2);    //同上

    using ContElemT = typename C::value_type;       //容器内元素的类型
    using std::begin;                               //为了泛型,见条款13
    using std::end;

    if (std::all_of(                                //如果容器内所有值都为
            begin(container), end(container),       //除数的倍数
            [&](const ContElemT& value)
            { return value % divisor == 0; })
        ) {
        …                                           //它们...
    } else {
        …                                           //至少有一个不是的话...
    }
}

的确如此,这是安全的做法,但这种安全是不确定的。如果发现lambda在其它上下文中很有用(例如作为一个函数被添加在filters容器中),然后拷贝粘贴到一个divisor变量已经死亡,但闭包生命周期还没结束的上下文中,你又回到了悬空的使用上了。同时,在该捕获语句中,也没有特别提醒了你注意分析divisor的生命周期。

从长期来看,显式列出lambda依赖的局部变量和形参,是更加符合软件工程规范的做法。

额外提一下,C++14支持了在lambda中使用auto来声明变量,上面的代码在C++14中可以进一步简化,ContElemT的别名可以去掉,if条件可以修改为:

if (std::all_of(begin(container), end(container),
			   [&](const auto& value)               // C++14
			   { return value % divisor == 0; }))			

一个解决问题的方法是,divisor默认按值捕获进去,也就是说可以按照以下方式来添加lambdafilters

filters.emplace_back( 							    //现在divisor不会悬空了
    [=](int value) { return value % divisor == 0; }
);

这足以满足本实例的要求,但在通常情况下,按值捕获并不能完全解决悬空引用的问题。这里的问题是如果你按值捕获的是一个指针,你将该指针拷贝到lambda对应的闭包里,但这样并不能避免lambdadelete这个指针的行为,从而导致你的副本指针变成悬空指针。

也许你要抗议说:“这不可能发生。看过了第4章,我对智能指针的使用非常热衷。只有那些失败的C++98的程序员才会用裸指针和delete语句。”这也许是正确的,但却是不相关的,因为事实上你的确会使用裸指针,也的确存在被你delete的可能性。只不过在现代的C++编程风格中,不容易在源代码中显露出来而已。

假设在一个Widget类,可以实现向过滤器的容器添加条目:

class Widget {
public://构造函数等
    void addFilter() const; //向filters添加条目
private:
    int divisor;            //在Widget的过滤器使用
};

这是Widget::addFilter的定义:

void Widget::addFilter() const
{
    filters.emplace_back(
        [=](int value) { return value % divisor == 0; }
    );
}	

这个做法看起来是安全的代码。lambda依赖于divisor,但默认的按值捕获确保divisor被拷贝进了lambda对应的所有闭包中,对吗?

错误,完全错误。

捕获只能应用于lambda被创建时所在作用域里的non-static局部变量(包括形参)。在Widget::addFilter的视线里,divisor并不是一个局部变量,而是Widget类的一个成员变量。它不能被捕获。而如果默认捕获模式被删除,代码就不能编译了:

void Widget::addFilter() const
{
    filters.emplace_back(                               //错误!
        [](int value) { return value % divisor == 0; }  //divisor不可用
    ); 
} 

另外,如果尝试去显式地捕获divisor变量(或者按引用或者按值——这不重要),也一样会编译失败,因为divisor不是一个局部变量或者形参。

void Widget::addFilter() const
{
    filters.emplace_back(
        [divisor](int value)                //错误!没有名为divisor局部变量可捕获
        { return value % divisor == 0; }
    );
}

所以如果默认按值捕获不能捕获divisor,而不用默认按值捕获代码就不能编译,这是怎么一回事呢?

解释就是这里隐式使用了一个原始指针:this。每一个non-static成员函数都有一个this指针,每次你使用一个类内的数据成员时都会使用到这个指针。例如,在任何Widget成员函数中,编译器会在内部将divisor替换成this->divisor。在默认按值捕获的Widget::addFilter版本中,

void Widget::addFilter() const
{
    filters.emplace_back(
        [=](int value) { return value % divisor == 0; }
    );
}

真正被捕获的是Widgetthis指针,而不是divisor。编译器会将上面的代码看成以下的写法:

void Widget::addFilter() const
{
    auto currentObjectPtr = this;

    filters.emplace_back(
        [currentObjectPtr](int value)
        { return value % currentObjectPtr->divisor == 0; }
    );
}

明白了这个就相当于明白了lambda闭包的生命周期与Widget对象的关系,闭包内含有Widgetthis指针的拷贝。特别是考虑以下的代码,参考第4章的内容,只使用智能指针:

using FilterContainer = 					//跟之前一样
    std::vector<std::function<bool(int)>>;

FilterContainer filters;                    //跟之前一样

void doSomeWork()
{
    auto pw =                               //创建Widget;std::make_unique
        std::make_unique<Widget>();         //见条款21

    pw->addFilter();                        //添加使用Widget::divisor的过滤器

    …
}                                           //销毁Widget;filters现在持有悬空指针!

当调用doSomeWork时,就会创建一个过滤器,其生命周期依赖于由std::make_unique产生的Widget对象,即一个含有指向Widget的指针——Widgetthis指针——的过滤器。这个过滤器被添加到filters中,但当doSomeWork结束时,Widget会由管理它的std::unique_ptr来销毁(见Item18)。从这时起,filter会含有一个存着悬空指针的条目。

这个特定的问题可以通过给你想捕获的数据成员做一个局部副本,然后捕获这个副本去解决:

void Widget::addFilter() const
{
    auto divisorCopy = divisor;                 //拷贝数据成员

    filters.emplace_back(
        [divisorCopy](int value)                //捕获副本
        { return value % divisorCopy == 0; }	//使用副本
    );
}

事实上如果采用这种方法,默认的按值捕获也是可行的。

void Widget::addFilter() const
{
    auto divisorCopy = divisor;                 //拷贝数据成员

    filters.emplace_back(
        [=](int value)                          //捕获副本
        { return value % divisorCopy == 0; }	//使用副本
    );
}

但为什么要冒险呢?当一开始你认为你捕获的是divisor的时候,默认捕获模式就是造成可能意外地捕获this的元凶。

在C++14中,一个更好的捕获成员变量的方式时使用通用的lambda捕获:

void Widget::addFilter() const
{
    filters.emplace_back(                   //C++14:
        [divisor = divisor](int value)      //拷贝divisor到闭包
        { return value % divisor == 0; }	//使用这个副本
    );
}

这种通用的lambda捕获并没有默认的捕获模式,因此在C++14中,本条款的建议——避免使用默认捕获模式——仍然是成立的。

使用默认的按值捕获还有另外的一个缺点,它们预示了相关的闭包是独立的并且不受外部数据变化的影响。一般来说,这是不对的。lambda可能会依赖局部变量和形参(它们可能被捕获),还有静态存储生命周期(static storage duration)的对象。这些对象定义在全局空间或者命名空间,或者在类、函数、文件中声明为static。这些对象也能在lambda里使用,但它们不能被捕获。但默认按值捕获可能会因此误导你,让你以为捕获了这些变量。参考下面版本的addDivisorFilter函数:

void addDivisorFilter()
{
    static auto calc1 = computeSomeValue1();    //现在是static
    static auto calc2 = computeSomeValue2();    //现在是static
    static auto divisor =                       //现在是static
    computeDivisor(calc1, calc2);

    filters.emplace_back(
        [=](int value)                          //什么也没捕获到!
        { return value % divisor == 0; }        //引用上面的static
    );

    ++divisor;                                  //调整divisor
}

随意地看了这份代码的读者可能看到“[=]”,就会认为“好的,lambda拷贝了所有使用的对象,因此这是独立的”。但其实不独立。这个lambda没有使用任何的non-static局部变量,所以它没有捕获任何东西。然而lambda的代码引用了static变量divisor,在每次调用addDivisorFilter的结尾,divisor都会递增,通过这个函数添加到filters的所有lambda都展示新的行为(分别对应新的divisor值)。这个lambda是通过引用捕获divisor,这和默认的按值捕获表示的含义有着直接的矛盾。如果你一开始就避免使用默认的按值捕获模式,你就能解除代码的风险。

请记住:

  • 默认的按引用捕获可能会导致悬空引用。
  • 默认的按值捕获对于悬空指针很敏感(尤其是this指针),并且它会误导人产生lambda是独立的想法。