C++避坑---lambda表达式变量的捕获与mutable关键字

艰默

发布于 2023-05-17 21:59:06

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首先我们看一个例子:

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int a = 0;
  static int b = 0;

  auto f = [=]() mutable {
    cout << "in lambda f : " << ++a << ", " << ++b << endl;
  };

  f();
  f();
  cout << "in main : " << a << ", " << b << endl;

  return 0;
}

输出结果为

in lambda f : 1, 1
in lambda f : 2, 2
in main : 0, 2

在第一次看见这个例子的时候，我预想到的a在f中的两次输出都应该为1，但真实的输出结果是在两次f的调用中，实现了累加，后来查阅资料发现：

lambda 表达式是纯右值表达式，它的类型是独有的无名非联合非聚合类类型，被称为闭包类型（closure type）

闭包类型::operator()(形参)
返回类型 operator()(形参) { 函数体 }

当被调用时，执行 lambda 表达式的函数体。当访问变量时，访问的是它被捕获的副本（对于以复制捕获的实体）或原对象（对于以引用捕获的实体）。除非 lambda 表达式中使用了关键词 mutable，否则函数调用运算符或运算符模板的 cv 限定符都会是 const，并且无法从这个 operator() 的内部修改以复制捕获的对象。

也就是说，对于lambda表达式，编译器会将其翻译成为一个类，该类中的重载operator()成员函数就是lambda函数本体。如果lambda表达式未使用mutable修饰，则operator()函数是const类型的，使用mutable可以解除该限制。

我们使用C++ Insights工具将上述代码转换成编译器角度的源代码，结果如下：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
  int a = 0;
  static int b = 0;
    
  class __lambda_8_12
  {
    public: 
    inline /*constexpr */ void operator()()
    {
      std::operator<<(std::operator<<(std::cout, "in lambda f : ").operator<<(++a), ", ").operator<<(++b).operator<<(std::endl);
    }
    
    private: 
    int a;
    
    public:
    __lambda_8_12(int & _a)
    : a{_a}
    {}
    
  };
  
  __lambda_8_12 f = __lambda_8_12{a};
  f.operator()();
  f.operator()();
  std::operator<<(std::operator<<(std::cout, "in main : ").operator<<(a), ", ").operator<<(b).operator<<(std::endl);
  return 0;
}

注：C++ Insights 是从源码转换到更加详细的源码，把编译器看到的给展开。如 auto、template 和 decltype 得到的类型、lambda 、range-for 循环的转换、潜藏的隐式类型转换等。

从展开结果可以看出，实际上编译器就是把lambda表达式转化成为一个类，lambda表达式捕获的值为该类的数据成员。上例中lambda表达式被转化为类__lambda_8_12，其重载了operator()，由于使用了mutable修饰，解除了operator()的const修饰（默认情况下是const的）。数据成员为捕获到的a，并将其实例化为类对象f，然后调用了两次operator()，因此a值的打印也是累加的，即两次结果分别为1和2。