可以将 lambdas 用作非类型模板参数吗？

Question

下面的代码合法吗？

template <auto Lambda>
struct A {};

int main () {
  auto lmb = [](int i){return i*i;};
  A<lmb> a;
  return 0;
}

我注意到 g++ 编译得很好，而 clang++ 返回 error: a non-type template parameter cannot have type '(lambda at main.cpp:...)'.

Answer 1

可以将 lambdas 用作非类型模板参数吗？

是的，已经实现 P0732R2 - Class types in non-type template parameters 但 clang++ 尚未实现。

来源： https://en.cppreference.com/w/cpp/compiler_support

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请注意，lambda 至少需要为 constexpr（默认情况下）：

当此说明符不存在时，函数调用运算符将​​是 constexpr 无论如何，如果它恰好满足所有 constexpr 功能要求。

但是，您可以添加 constexpr 以获取 lambda 本身的错误，而不是在将其用作模板参数时。附带说明：您还可以将其指定为 consteval 以使其作为非类型模板参数工作。

有状态的 lambda 可以是 constexpr:

constexpr auto lmb1 = [](int i) {
    static int x = 0;
    return i*i + ++x;
};

而通过引用捕获的 lambda，或通过复制捕获和变异 (mutable)，则不能。不过，通过复制 constexpr 进行捕获是可以的。

通用 lambda 也可能是 constexpr：

constexpr auto gen_lmb = []<typename T>(T& val) {
   val += val;
   return val;
};

template <auto Lambda>
struct A {
    template<typename T>
    void doit(T&& arg) {
        std::cout << Lambda(arg) << '\n';
    }
};

//...

A<gen_lmb> ginst;

int v = 1000;
ginst.doit(v);
ginst.doit(std::string("foo "));
std::cout << v << '\n';

2000
foo foo
2000

Answer 2

[temp.arg.nontype]/1:

如果模板参数的类型 T 包含占位符类型 ([dcl.spec.auto]) 或推导类类型的占位符 ([dcl.type.class.deduct])，参数的类型就是类型 为发明声明中的变量 x 推导出来

T x = template-argument ;

如果推导的参数类型不允许用于 模板参数声明（[temp.param]），程序是 格式不正确。

所以，规则是由[temp.param]/6设置的：

非类型模板参数应具有以下之一 （可能是 cv 限定的）类型：...

(6.1) 结构类型 ...

structural type 的规则是：--我的重点--

(7.1) 标量类型，或

(7.2) 左值引用类型，或

(7.3) 具有以下属性的文字类类型：

(7.3.1) 所有基类和非静态数据成员都是public和non-mutable和

(7.3.2) 所有基类和非静态数据成员的类型都是结构类型或其（可能是多维的）数组。

由于 lambda 没有基类，唯一的要求是它必须是 literal class type ([basic.types])，其中包括：

(10.5.2) ... 闭包类型 ([expr.prim.lambda.closure]) ...

结构类型的数据成员也应该是结构类型，这适用于这种情况下的 lambda 捕获，只要它的所有成员都是 public 和 不可变。

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@Nicol Bolas commented below 即使constexpr 文字类型捕获，标准也没有强制要求将捕获作为公共字段进行管理。

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底线是，在 C++20 中，没有捕获的 constexpr lambda 表达式作为模板非类型参数是合法的（基于上面提到的[basic.types]/10.5.2）。

另见an answer by @Barry to a similar question。

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下面的代码compiles with gcc，但据我了解，Nicol Bolas 的评论，并非所有情况都由规范保证（或者更糟糕的是，所有情况都不受规范保证）规格？）。

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假设我们有：

template <auto T> struct A {};

struct B {};

struct C {
    ~C(){}
};

文字类型 lambda，应该是合法的作为模板参数：

// compiles in gcc and should be ok by the spec as of [basic.types]/10.5.2
A<[](){}> a; // compiler deduces the anonymous lambda to be constexpr

auto lmb1 = [](){};
// same as above
A<lmb1> a1;

// compiler deduces lmb1 above to be constexpr
// same as it will deduce the following:
B b {};
A<b> here_i_am;

Lambdas，由 gcc 作为模板参数编译，但正如 Nicol Bolas 在评论中所说 - 规范不保证它们是文字类型：

const int i = 0;
constexpr auto lmb2 = [i](){};
// compiles in gcc but is not guaranteed by the spec 
A<lmb2> a2;

constexpr auto lmb3 = [b](){}; // B is literal
// compiles in gcc but is not guaranteed by the spec 
A<lmb3> a3;

非文字类型 lambda，不合法 作为模板参数：

const int j = 0;
// below doesn't compile: <lambda()>{j} is not a constant expression
constexpr auto lmb4 = [&j](){}; // local reference - not constexpr
A<lmb4> a4;

C c;
// below doesn't compile: <lambda()>'{c} does not have 'constexpr' destructor
constexpr auto lmb5 = [c](){}; // C is not literal
A<lmb5> a5;

Answer 3

首先，我认为您的 lambda 应该是 constexpr 以用作非类型模板参数。我觉得它有点奇怪，它有效。

但是在这种情况下它应该可以工作。 The Standard 告诉我们，非类型模板参数可以是文字类类型（这有点不确定，因为闭包是文字但不是真正的类类型，我认为它们被明确包含here）有额外的要求，

• 所有基类和非静态成员都必须是非可变和公共的
• 它们的类型必须是结构或其数组

所以我们在这个简单的例子中没有问题。但是如果你捕获任何东西，你的 lambda 有一个非公共成员变量，应该被淘汰。如果这对于闭包来说不是那么尖锐，那么如果你捕获一些非常量的东西，它肯定会停止工作。