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C++的lambda是函数还是对象?

2023-02-19 12:22:34 时间

关于C++的lambda是函数还是对象,这其实不是一个一概而论的问题。

先说结论:

  • 对于有捕获的lambda,其等价于对象。
  • 对于没有任何捕获的lambda,其等价于函数!

首先,很多C++程序员从lambda 用法上反推容易发现是对象,因为lambda可以捕获!这是函数做不到的。的确,比如:

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

如果编译器要实现foo,大致类比这种写法(可能真实的实现细节不是这样,但思路类似)∶

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);

如果是引用捕获了变量,那么struct内有一个指针成员持有被引用捕获的变量的地址。

比如:

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

大致等价于:

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……这并不是全部!

在没有捕获任何东西的时候,lambda其实是等价于普通的函数的!可以用Linux C中函数pthread_create()来验证!它只能接收一个参数是void*,返回值也是void*的回调函数。

神奇的是,无参的lambda也可以被pthread_create()使用!

#include <iostream>
#include <pthread.h>
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); // 编译失败
auto cb = [](void*)->void* {
cout<<"xxxx"<<endl;
return nullptr;
};
pthread_create(&t, NULL, cb, NULL); // 编译通过
pthread_join(t, NULL);
return 0;
}

上面代码还可以再改一下,让cb去捕获一个变量, 比如:

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

这时,给pthread_create()传入cb同样会编译失败!错误信息:

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 *),
| ~~~~~~~~^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

这其实也不难理解,C++在lambda的设计上也贯彻着零开销 (Zero Overhead)原则,也就是C++不在性能上干多余的事,显然函数比对象开销更小。所以即使同为lambda,在有无捕获的时候,其底层实现其实是截然不同的!