lambda函数可变捕获从全局变量引用的行为差异答案

【问题标题】：Behavior difference of lambda function mutable capture from a reference to global variablelambda函数可变捕获从全局变量引用的行为差异
【发布时间】：2020-07-07 18:04:54
【问题描述】：

我发现如果我使用 lambda 通过 mutable 关键字捕获对全局变量的引用，然后修改 lambda 函数中的值，则不同编译器的结果会有所不同。

#include <stdio.h>
#include <functional>

int n = 100;

std::function<int()> f()
{
    int &m = n;
    return [m] () mutable -> int {
        m += 123;
        return m;
    };
}

int main()
{
    int x = n;
    int y = f()();
    int z = n;

    printf("%d %d %d\n", x, y, z);
    return 0;
}

VS 2015 和 GCC (g++ (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.12) 5.4.0 20160609) 的结果：

100 223 100

clang++ 的结果（clang 版本 3.8.0-2ubuntu4 (tags/RELEASE_380/final)）：

100 223 223

为什么会这样？ C++ 标准是否允许这样做？

【问题讨论】：

Clang 的行为仍然存在于主干上。
这些都是相当老的编译器版本
它仍然出现在最新版本的 Clang 中：godbolt.org/z/P9na9c
如果您完全删除捕获，那么 GCC 仍然接受此代码并执行 clang 所做的操作。这强烈暗示存在 GCC 错误 - 简单捕获不应该改变 lambda 主体的含义。

标签： c++ c++11 lambda language-lawyer

【解决方案1】：

lambda 无法按值捕获引用本身（为此目的使用 std::reference_wrapper）。

在您的 lambda 中，[m] 按值捕获 m（因为在捕获中没有 &），所以 m（作为对 n 的引用）首先被取消引用并且 它所引用的东西 (n) 的副本被捕获。这与这样做没有什么不同：

int &m = n;
int x = m; // <-- copy made!

然后 lambda 会修改该副本，而不是原始版本。正如预期的那样，这就是您在 VS 和 GCC 输出中看到的情况。

Clang 输出错误，如果尚未报告，则应将其报告为错误。

如果您希望您的 lambda 修改 n，请改为通过引用捕获 m：[&m]。这与将一个引用分配给另一个引用没有什么不同，例如：

int &m = n;
int &x = m; // <-- no copy made!

或者，您可以完全摆脱m，而是通过引用捕获n：[&n]。

虽然n在全局范围内，其实根本不需要捕获它，lambda可以在不捕获的情况下全局访问它：

return [] () -> int {
    n += 123;
    return n;
};

【讨论】：

【解决方案2】：

我认为 Clang 可能实际上是正确的。

根据[lambda.capture]/11，lambda 中使用的 id-expression 仅在构成 odr-use 时才指 lambda 的 by-copy-captured 成员。如果不是，那么它指的是原始实体。这适用于自 C++11 以来的所有 C++ 版本。

根据 C++17 的 [basic.dev.odr]/3，如果对引用变量应用左值到右值转换会产生常量表达式，则不会使用引用变量。

然而，在 C++20 草案中，左值到右值转换的要求被删除，相关段落多次更改以包含或不包含转换。请参阅CWG issue 1472 和CWG issue 1741，以及打开CWG issue 2083。

由于m 是用常量表达式初始化的（指的是静态存储持续时间对象），因此使用它会在[expr.const]/2.11.1 中为每个异常生成一个常量表达式。

但是，如果应用左值到右值的转换，则情况并非如此，因为n 的值不能用于常量表达式。

因此，根据在确定 odr 使用时是否应该应用左值到右值的转换，当您在 lambda 中使用 m 时，它可能会或可能不会引用 lambda 的成员。

如果应该应用转换，GCC 和 MSVC 是正确的，否则 Clang 是。

如果您将 m 的初始化更改为不再是常量表达式，您可以看到 Clang 会改变它的行为：

#include <stdio.h>
#include <functional>

int n = 100;

void g() {}

std::function<int()> f()
{
    int &m = (g(), n);
    return [m] () mutable -> int {
        m += 123;
        return m;
    };
}

int main()
{
    int x = n;
    int y = f()();
    int z = n;

    printf("%d %d %d\n", x, y, z);
    return 0;
}

在这种情况下，所有编译器都同意输出是

100 223 100

因为 lambda 中的 m 将引用类型为 int 的闭包成员，该成员从 f 中的引用变量 m 复制初始化。

【讨论】：

VS/GCC 和 Clang 结果都正确吗？还是只有其中之一？
[basic.dev.odr]/3 表示变量m 被命名它的表达式使用，除非对其应用左值到右值转换将是一个常量表达式。通过 [expr.const]/(2.7)，该转换将不是核心常量表达式。
如果 Clang 的结果是正确的，我认为这有点违反直觉。因为从程序员的角度来看，他需要确保他写在捕获列表中的变量确实被复制为可变大小写，并且m的初始化可能会被程序员出于某种原因更改。
m += 123; 这里 m 是 odr-used。
我认为 Clang 的当前措辞是正确的，虽然我没有深入研究这一点，但这里的相关更改几乎可以肯定都是 DR。

【解决方案3】：

C++17 标准不允许这样做，但其他一些标准草案可能允许这样做。由于此答案中未解释的原因，这很复杂。

[expr.prim.lambda.capture]/10:

对于通过副本捕获的每个实体，在闭包类型中声明了一个未命名的非静态数据成员。这些成员的声明顺序是未指定的。如果实体是对对象的引用，则此类数据成员的类型为被引用类型；如果实体是对函数的引用，则为对被引用函数类型的左值引用，否则为相应捕获实体的类型。

[m] 表示f 中的变量m 被拷贝捕获。实体m 是对对象的引用，因此闭包类型有一个成员，其类型是被引用的类型。也就是说，成员的类型是int，而不是int&。

由于 lambda 主体内的名称 m 命名了闭包对象的成员，而不是 f 中的变量（这是有问题的部分），语句 m += 123; 修改了该成员，这是一个不同的 @987654331 @对象来自::n。

【讨论】：