局部变量上的 C++ lambda 词法闭包

Question

总结

在 C++ 中，当我从一个捕获该函数本地变量的函数返回一个 lambda 时，具体会发生什么，为什么？编译器 (g++) 似乎允许这样做，但它给我的结果与我预期的不同，所以我不确定这在技术上是否安全/受支持。

详情

在某些语言（Swift、Lisp 等）中，您可以在闭包/lambda 中捕获局部变量，只要闭包在范围内（我听说它称为“lambda over在 Lisp 上下文中放弃 lambda")。例如，在 Swift 中，我正在尝试做的示例代码是：

func counter(initial: Int) -> (() -> Int) {
    var count = initial
    return { count += 1; return count }
}

let c = counter(initial: 0)
c() // returns 1
c() // returns 2
c() // returns 3

我尝试编写一个与此等效的 C++，如下所示：

auto counter(int initial)
{
    int count = initial;
    return [&count] () -> int {
        count = count + 1;
        return count;
    };
}

但是，我得到的结果是：

auto c = counter(0);
std::cout << c() << std::endl; // prints 1
std::cout << c() << std::endl; // prints 1
std::cout << c() << std::endl; // prints 1

如果我捕获的变量仍在范围内，它会按我的预期工作。例如，如果我在一个函数中执行以下所有操作：

int count = 0;
auto c = [&count] () -> int {
    count = count + 1;
    return count;
};
std::cout << c() << std::endl; // prints 1
std::cout << c() << std::endl; // prints 2
std::cout << c() << std::endl; // prints 3

所以我想我的问题是，在上面的第一个 C++ 示例中，实际捕获了什么？它是定义的行为，还是我只是引用了堆栈上的一些随机内存？

Answer 1

    return [&count] () -> int {

这是一个引用捕获。 lambda 捕获对此对象的引用。

有问题的对象 count 位于函数的本地范围内，因此当函数返回时，count 被销毁，这成为对超出范围并被销毁的对象的引用。使用这个引用变成了未定义的行为。

按值捕获似乎可以解决这个问题：

    return [count] () -> int {

但是你的明显意图是让这个 lambda 的每次调用都返回一个单调递增的计数器值。仅仅通过值来捕获对象是不够的。您还需要使用mutable lambda：

 return [count] () mutable -> int
 {
    return ++count;
 };

但是，对您的问题“发生了什么”的迂腐回答是 lambda 本质上是一个匿名类，而 lambda 捕获的是真正的类成员。你的 lambda 相当于：

class SomeAnonymousClassName {

     int &count;

public:
     SomeAnonymousClassName(int &count) : count(count)
     {}

     int operator()
     {
          // Whatever you stick in your lambda goes here.
     }
};

通过引用捕获某些内容会转换为作为引用的类成员。通过值捕获某些东西会转换为不是引用的类成员，捕获 lambda 变量的行为会转换为将它们传递给 lambda 类的构造函数，这就是创建 lambda 时发生的情况。 lambda 实际上是一个匿名类的实例，具有定义的 operator()。

在常规 lambda 中，operator() 实际上是 const 运算符方法。在可变 lambda 中，operator() 是非const，一种可变运算符方法。

Answer 2

在第一种情况下，您正在捕获对局部变量的引用。函数返回后，引用变为悬空引用。因此，您的程序会受到未定义行为的影响。