論C++的lambda是函數還是物件

2022-02-17 19:00:28

先說結論：

對於有捕獲的lambda，其等價於物件。
對於沒有任何捕獲的lambda，其等價於函數！

首先，很多C++程式設計師從lambda 用法上反推容易發現是物件，因為lambda可以捕獲！這是函數做不到的。的確，比如：

int n = 100;
auto foo = [n](int a) {
    return a > n;
};
cout<< foo(99);

如果編譯器要實現foo，大致類比這種寫法(可能真實的實現細節不是這樣，但思路類似)∶

struct Foo {
    Foo(int i) {n=i;}
    bool operator()(int a) {
        return a > n;
    }
private:
    int n;
};
...
int n = 100;
Foo foo(n);
cout<< foo(99);

如果是參照捕獲了變數，那麼struct內有一個指標成員持有被參照捕獲的變數的地址。

比如:

set<int> ns = {100, 200, 300};
auto foo = [&ns](int a) {
    return ns.find(a);
};
cout<< foo(99);

大致等價於:

struct Foo {
    Foo(set<int>* p) {p_ns = p;}
    bool operator()(int a) {
        auto &ns = *p-ns;
        return ns.find(a);
    }
private:
    set<int>* p_ns;
};
...
set<int> ns = {100, 200, 300};
Foo foo(&ns);
cout<< foo(99);

然而……這並不是全部!
在沒有捕獲任何東西的時候，lambda其實是等價於普通的函數的！可以用Linux C中函數pthread_create()來驗證！它只能接收一個引數是void*，返回值也是void*的回撥函數。

神奇的是，無參的lambda也可以被pthread_create()使用！

using namespace std;
struct A {
    void* operator()(void*) {
        cout<<"xxxx"<<endl;
        return nullptr;
    }
};
int main() {
    A a;
    a(NULL);
    pthread_t t;
    //pthread_create(&t, NULL, a, NULL); // 編譯失敗
    auto cb = [](void*)->void* {
        cout<<"xxxx"<<endl;
        return nullptr;
    };
    pthread_create(&t, NULL, cb, NULL); // 編譯通過
    pthread_join(t, NULL);
    return 0;
}

上面程式碼還可以再改一下，讓cb去捕獲一個變數， 比如：

auto cb = [&](void*)->void* {
        cout<<"xxxx"<<endl;
        return nullptr;
    };
    pthread_create(&t, NULL, cb, NULL);

這時，給pthread_create()傳入cb同樣會編譯失敗！錯誤資訊：

cb.cpp: In function ‘int main()':
cb.cpp:23:30: error: cannot convert ‘main()::<lambda(void*)>' to ‘void* (*)(void*)'
   23 |     pthread_create(&t, NULL, cb, NULL);
      |                              ^~
      |                              |
      |                              main()::<lambda(void*)>
In file included from /usr/include/x86_64-linux-gnu/c++/9/bits/gthr-default.h:35,
                 from /usr/include/x86_64-linux-gnu/c++/9/bits/gthr.h:148,
                 from /usr/include/c++/9/ext/atomicity.h:35,
                 from /usr/include/c++/9/bits/ios_base.h:39,
                 from /usr/include/c++/9/ios:42,
                 from /usr/include/c++/9/ostream:38,
                 from /usr/include/c++/9/iostream:39,
                 from cb.cpp:1:
/usr/include/pthread.h:200:15: note:   initializing argument 3 of ‘int pthread_create(pthread_t*, const pthread_attr_t*, void* (*)(void*), void*)'
  200 |       void *(*__start_routine) (void *),
      |       ~~~~~~~~^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

這其實也不難理解，C++在lambda的設計上也貫徹著零開銷 (Zero Overhead）原則，也就是C++不在效能上幹多餘的事，顯然函數比物件開銷更小。所以即使同為lambda，在有無捕獲的時候，其底層實現其實是截然不同的！

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