在 C++11 lambda 语法中，堆分配的闭包？

Question

C++11 lambda 很棒！

但是缺少一件事，那就是如何安全地处理可变数据。

以下将在第一次计数后给出错误计数：

#include <cstdio>
#include <functional>
#include <memory>

std::function<int(void)> f1()
{
    int k = 121;
    return std::function<int(void)>([&]{return k++;});
}

int main()
{
    int j = 50;
    auto g = f1();
    printf("%d\n", g());
    printf("%d\n", g());
    printf("%d\n", g());
    printf("%d\n", g());
}

给予，

$ g++-4.5 -std=c++0x -o test test.cpp && ./test
121
8365280
8365280
8365280

原因是f1() 返回后，k 超出范围但仍在堆栈中。所以第一次执行g() k 没问题，但之后堆栈损坏并且k 失去了它的价值。

因此，我设法在 C++11 中实现安全可返回闭包的唯一方法是在堆上显式分配已关闭变量：

std::function<int(void)> f2()
{
    int k = 121;
    std::shared_ptr<int> o = std::shared_ptr<int>(new int(k));
    return std::function<int(void)>([=]{return (*o)++;});
}

int main()
{
    int j = 50;
auto g = f2();
    printf("%d\n", g());
    printf("%d\n", g());
    printf("%d\n", g());
    printf("%d\n", g());
}

这里，[=] 用于确保共享指针被复制，而不是被引用，以便正确完成内存处理：k 的堆分配副本应该在生成的函数g 超出范围。结果如你所愿，

$ g++-4.5 -std=c++0x -o test test.cpp && ./test
121
122
123
124

通过解除引用来引用变量是相当丑陋的，但应该可以使用引用来代替：

std::function<int(void)> f3()
{
    int k = 121;
    std::shared_ptr<int> o = std::shared_ptr<int>(new int(k));
    int &p = *o;
    return std::function<int(void)>([&]{return p++;});
}

其实，这很奇怪，

$ g++-4.5 -std=c++0x -o test test.cpp && ./test
0
1
2
3

知道为什么吗？考虑到共享指针的引用可能不礼貌，因为它不是跟踪引用。我发现将引用移动到 lambda 内部会导致崩溃，

std::function<int(void)> f4()
{
    int k = 121;
std::shared_ptr<int> o = std::shared_ptr<int>(new int(k));
    return std::function<int(void)>([&]{int &p = *o; return p++;});
}

给予，

g++-4.5 -std=c++0x -o test test.cpp && ./test
156565552
/bin/bash: line 1: 25219 Segmentation fault      ./test

无论如何，如果有一种方法可以通过堆分配自动创建安全可返回的闭包，那就太好了。例如，如果有一个替代 [=] 和 [&] 的选项表明变量应该在堆上分配并通过对共享指针的引用来引用。当我了解std::function 时，我最初的想法是它创建了一个封装闭包的对象，因此它可以为闭包环境提供存储，但我的实验表明这似乎没有帮助。

我认为 C++11 中的安全可返回闭包对于使用它们至关重要，有谁知道如何更优雅地实现这一点？

Answer 1

在f1 中，由于您所说的原因，您得到了未定义的行为； lambda 包含对局部变量的引用，并且在函数返回后该引用不再有效。为了解决这个问题，您不必在堆上分配，您只需声明捕获的值是可变的：

int k = 121;
return std::function<int(void)>([=]() mutable {return k++;});

您必须小心使用此 lambda，因为它的不同副本将修改它们自己的捕获变量副本。通常算法期望使用仿函数的副本等同于使用原始的。我认为只有一种算法实际上允许有状态的函数对象，std::for_each，它返回它使用的函数对象的另一个副本，以便您可以访问发生的任何修改。

---

在f3 中，没有任何东西维护共享指针的副本，因此正在释放内存并访问它会产生未定义的行为。您可以通过按值显式捕获共享指针并仍按引用捕获指向的 int 来解决此问题。

std::shared_ptr<int> o = std::shared_ptr<int>(new int(k));
int &p = *o;
return std::function<int(void)>([&p,o]{return p++;});

f4 再次是未定义的行为，因为您再次捕获对局部变量 o 的引用。您应该简单地按值捕获，然后仍然在 lambda 中创建您的 int &p 以获得您想要的语法。

std::shared_ptr<int> o = std::shared_ptr<int>(new int(k));
return std::function<int(void)>([o]() -> int {int &p = *o; return p++;});

请注意，当您添加第二条语句时，C++11 不再允许您省略返回类型。 （clang 和我假设 gcc 有一个扩展，即使有多个语句也允许返回类型推导，但你至少应该得到一个警告。）

Answer 2

这是我的测试代码。它使用递归函数将 lambda 参数的地址与其他基于堆栈的变量进行比较。

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

void fun2( std::function<void()> callback ) { 
    (callback)(); 
} 

void fun1(int n) { 
    if(n <= 0) return; 
    printf("stack address = %p, ", &n); 

    fun2([n]() { 
        printf("capture address = %p\n", &n); 
        fun1(n - 1); 
    }); 
} 

int main() { 
    fun1(200); 
    return 0; 
}

用mingw64编译代码并在Win7上运行，输出

stack address = 000000000022F1E0, capture address = 00000000002F6D20
stack address = 000000000022F0C0, capture address = 00000000002F6D40
stack address = 000000000022EFA0, capture address = 00000000002F6D60
stack address = 000000000022EE80, capture address = 00000000002F6D80
stack address = 000000000022ED60, capture address = 00000000002F6DA0
stack address = 000000000022EC40, capture address = 00000000002F6DC0
stack address = 000000000022EB20, capture address = 00000000007A7810
stack address = 000000000022EA00, capture address = 00000000007A7820
stack address = 000000000022E8E0, capture address = 00000000007A7830
stack address = 000000000022E7C0, capture address = 00000000007A7840

很明显，捕获的参数不在堆栈区， 并且捕获参数的地址不连续。

所以我相信有些编译器可能会使用动态内存分配来
捕获 lambda 参数。