C++11 lambda 实现和内存模型

Question

我想要一些关于如何正确思考 C++11 闭包和 std::function 的信息，了解它们的实现方式和内存处理方式。

虽然我不相信过早的优化，但我确实有一个习惯，即在编写新代码时仔细考虑我的选择对性能的影响。我也做了相当多的实时编程，例如在微控制器和音频系统上，要避免非确定性的内存分配/释放暂停。

因此，我想更好地了解何时使用或不使用 C++ lambda。

我目前的理解是，没有捕获闭包的 lambda 与 C 回调完全一样。但是，当通过值或引用捕获环境时，会在堆栈上创建一个匿名对象。当必须从函数返回值闭包时，将其包装在std::function 中。在这种情况下，闭包内存会发生什么？它是从堆栈复制到堆的吗？是否在释放 std::function 时释放它，即它是否像 std::shared_ptr 一样进行引用计数？

我想在一个实时系统中，我可以设置一个 lambda 函数链，将 B 作为延续参数传递给 A，从而创建一个处理管道 A->B。在这种情况下，A 和 B 闭包将被分配一次。虽然我不确定这些是否会分配在堆栈或堆上。然而，一般来说，这在实时系统中使用似乎是安全的。另一方面，如果 B 构造了一些 lambda 函数 C 并返回，那么 C 的内存将被重复分配和释放，这对于实时使用来说是不可接受的。

在伪代码中，一个 DSP 循环，我认为它将是实时安全的。我想执行处理块 A，然后是 B，A 调用它的参数。这两个函数都返回std::function 对象，所以f 将是一个std::function 对象，其环境存储在堆中：

auto f = A(B);  // A returns a function which calls B
                // Memory for the function returned by A is on the heap?
                // Note that A and B may maintain a state
                // via mutable value-closure!
for (t=0; t<1000; t++) {
    y = f(t)
}

我认为在实时代码中使用它可能不好：

for (t=0; t<1000; t++) {
    y = A(B)(t);
}

还有一个我认为堆栈内存可能用于闭包的地方：

freq = 220;
A = 2;
for (t=0; t<1000; t++) {
    y = [=](int t){ return sin(t*freq)*A; }
}

在后一种情况下，闭包是在循环的每次迭代中构造的，但与前面的示例不同，它很便宜，因为它就像一个函数调用，不进行堆分配。此外，我想知道编译器是否可以“解除”闭包并进行内联优化。

这是正确的吗？谢谢。

Answer 1

我目前的理解是，没有捕获闭包的 lambda 与 C 回调完全一样。但是，当通过值或引用捕获环境时，会在堆栈上创建一个匿名对象。

没有；它始终是在堆栈上创建的具有未知类型的 C++ 对象。无捕获的 lambda 可以转换为函数指针（尽管它是否适合 C 调用约定取决于实现），但这并不意味着它 是函数指针。

当必须从函数返回值闭包时，将其包装在 std::function 中。在这种情况下，闭包内存会发生什么？

lambda 在 C++11 中并没有什么特别之处。它是一个像任何其他对象一样的对象。一个 lambda 表达式会产生一个临时的，可用于初始化堆栈上的变量：

auto lamb = []() {return 5;};

lamb 是一个堆栈对象。它有一个构造函数和析构函数。它将遵循所有 C++ 规则。 lamb 的类型将包含捕获的值/引用；它们将成为该对象的成员，就像任何其他类型的任何其他对象成员一样。

你可以给std::function：

auto func_lamb = std::function<int()>(lamb);

在这种情况下，它将获得lamb 值的副本。如果lamb 通过值捕获了任何东西，那么这些值将有两个副本；一个在lamb，一个在func_lamb。

当当前作用域结束时，func_lamb 将被销毁，然后是lamb，按照清理堆栈变量的规则。

您可以轻松地在堆上分配一个：

auto func_lamb_ptr = new std::function<int()>(lamb);

std::function 内容的确切内存位置取决于实现，但std::function 使用的类型擦除通常需要至少一个内存分配。这就是std::function 的构造函数可以采用分配器的原因。

它是否在 std::function 被释放时被释放，即它是否像 std::shared_ptr 一样被引用计数？

std::function 存储其内容的副本。与几乎所有标准库 C++ 类型一样，function 使用 值语义。因此，它是可复制的；当它被复制时，新的function 对象是完全独立的。它也是可移动的，因此任何内部分配都可以适当地转移，而无需更多的分配和复制。

因此不需要引用计数。

假设“内存分配”等同于“在实时代码中使用不好”，您所说的所有其他内容都是正确的。

Answer 2

C++ lambda 只是（匿名）Functor 类的语法糖，重载 operator() 和 std::function 只是可调用对象（即 functors、lambdas、c-functions ......）的包装器，它确实 按值将“solid lambda 对象”从当前堆栈范围复制到 堆。

为了测试实际构造函数/重定位的数量，我做了一个测试（对 shared_ptr 使用另一种包装，但事实并非如此）。自己看：

#include <memory>
#include <string>
#include <iostream>

class Functor {
    std::string greeting;
public:

    Functor(const Functor &rhs) {
        this->greeting = rhs.greeting;
        std::cout << "Copy-Ctor \n";
    }
    Functor(std::string _greeting="Hello!"): greeting { _greeting } {
        std::cout << "Ctor \n";
    }

    Functor & operator=(const Functor & rhs) {
        greeting = rhs.greeting;
        std::cout << "Copy-assigned\n";
        return *this;
    }

    virtual ~Functor() {
        std::cout << "Dtor\n";
    }

    void operator()()
    {
        std::cout << "hey" << "\n";
    }
};

auto getFpp() {
    std::shared_ptr<std::function<void()>> fp = std::make_shared<std::function<void()>>(Functor{}
    );
    (*fp)();
    return fp;
}

int main() {
    auto f = getFpp();
    (*f)();
}

它会产生这样的输出：

Ctor 
Copy-Ctor 
Copy-Ctor 
Dtor
Dtor
hey
hey
Dtor

将为堆栈分配的 lambda 对象调用完全相同的 ctors/dtors 集！ （现在它调用 Ctor 进行堆栈分配，Copy-ctor (+ heap alloc) 在 std::function 中构造它，另一个用于进行 shared_ptr 堆分配 + 构造函数）