第 3 章语言运行期的强化

Lambda 表达式的基本语法如下：

上面的语法规则除了 [捕获列表] 内的东西外，其他部分都很好理解，只是一般函数的函数名被略去，返回值使用了一个 -> 的形式进行（我们在上一节前面的尾返回类型已经提到过这种写法了）。

所谓捕获列表，其实可以理解为参数的一种类型，lambda 表达式内部函数体在默认情况下是不能够使用函数体外部的变量的，这时候捕获列表可以起到传递外部数据的作用。根据传递的行为，捕获列表也分为以下几种：

1. 值捕获

与参数传值类似，值捕获的前提是变量可以拷贝，不同之处则在于，被捕获的变量在 lambda 表达式被创建时拷贝，而非调用时才拷贝：

void lambda_value_capture() {
    int value = 1;
    auto copy_value = [value] {
        return value;
    };
    value = 100;
    auto stored_value = copy_value();
    std::cout << "stored_value = " << stored_value << std::endl;
    // 这时, stored_value == 1, 而 value == 100.
    // 因为 copy_value 在创建时就保存了一份 value 的拷贝
}

2. 引用捕获

与引用传参类似，引用捕获保存的是引用，值会发生变化。

void lambda_reference_capture() {
    int value = 1;
    auto copy_value = [&value] {
        return value;
    };
    value = 100;
    auto stored_value = copy_value();
    std::cout << "stored_value = " << stored_value << std::endl;
    // 这时, stored_value == 100, value == 100.
    // 因为 copy_value 保存的是引用
}

3. 隐式捕获

手动书写捕获列表有时候是非常复杂的，这种机械性的工作可以交给编译器来处理，这时候可以在捕获列表中写一个 & 或 = 向编译器声明采用引用捕获或者值捕获.

总结一下，捕获提供了lambda 表达式对外部值进行使用的功能，捕获列表的最常用的四种形式可以是：

[] 空捕获列表
[name1, name2, …] 捕获一系列变量
[&] 引用捕获, 让编译器自行推导捕获列表
[=] 值捕获, 让编译器执行推导引用列表

4. 表达式捕获

上面提到的值捕获、引用捕获都是已经在外层作用域声明的变量，因此这些捕获方式捕获的均为左值，而不能捕获右值。

C++14 给与了我们方便，允许捕获的成员用任意的表达式进行初始化，这就允许了右值的捕获，被声明的捕获变量类型会根据表达式进行判断，判断方式与使用 auto 本质上是相同的：

#include <iostream>
#include <utility>
int main() {
    auto important = std::make_unique<int>(1);
    auto add = [v1 = 1, v2 = std::move(important)](int x, int y) -> int {
        return x+y+v1+(*v2);
    };
    std::cout << add(3,4) << std::endl;
    return 0;
}

在上面的代码中，important 是一个独占指针，是不能够被捕获到的，这时候我们需要将其转移为右值，在表达式中初始化。

泛型 Lambda

上一节中我们提到了 auto 关键字不能够用在参数表里，这是因为这样的写法会与模板的功能产生冲突。但是 Lambda 表达式并不是普通函数，所以 Lambda 表达式并不能够模板化。这就为我们造成了一定程度上的麻烦：参数表不能够泛化，必须明确参数表类型。

幸运的是，这种麻烦只存在于 C++11 中，从 C++14 开始， Lambda 函数的形式参数可以使用 auto 关键字来产生意义上的泛型：

auto add = [](auto x, auto y) {
    return x+y;
};
add(1, 2);
add(1.1, 2.2);

3.2 函数对象包装器

这部分内容虽然属于标准库的一部分，但是从本质上来看，它却增强了 C++ 语言运行时的能力，这部分内容也相当重要，所以放到这里来进行介绍。

Lambda 表达式的本质是一个和函数对象类型相似的类类型（称为闭包类型）的对象（称为闭包对象），当 Lambda 表达式的捕获列表为空时，闭包对象还能够转换为函数指针值进行传递，例如：

#include <iostream>
using foo = void(int); // 定义函数类型, using 的使用见上一节中的别名语法
void functional(foo f) { // 定义在参数列表中的函数类型 foo 被视为退化后的函数指针类型 foo*
    f(1); // 通过函数指针调用函数
}
int main() {
    auto f = [](int value) {
        std::cout << value << std::endl;
    };
    functional(f); // 传递闭包对象，隐式转换为 foo* 类型的函数指针值
    f(1); // lambda 表达式调用
    return 0;
}

上面的代码给出了两种不同的调用形式，一种是将 Lambda 作为函数类型传递进行调用，而另一种则是直接调用 Lambda 表达式，在 C++11 中，统一了这些概念，将能够被调用的对象的类型，统一称之为可调用类型。而这种类型，便是通过 std::function 引入的。

C++11 std::function 是一种通用、多态的函数封装，它的实例可以对任何可以调用的目标实体进行存储、复制和调用操作，它也是对 C++中现有的可调用实体的一种类型安全的包裹（相对来说，函数指针的调用不是类型安全的），换句话说，就是函数的容器。当我们有了函数的容器之后便能够更加方便的将函数、函数指针作为对象进行处理。例如：

`std::bind` 和 `std::placeholder`

int foo(int a, int b, int c) {
    ;
}
    // 将参数1,2绑定到函数 foo 上，但是使用 std::placeholders::_1 来对第一个参数进行占位
    auto bindFoo = std::bind(foo, std::placeholders::_1, 1,2);
    // 这时调用 bindFoo 时，只需要提供第一个参数即可
    bindFoo(1);
}

提示：注意 auto 关键字的妙用。有时候我们可能不太熟悉一个函数的返回值类型，但是我们却可以通过 auto 的使用来规避这一问题的出现。

右值引用是 C++11 引入的与 Lambda 表达式齐名的重要特性之一。它的引入解决了 C++ 中大量的历史遗留问题，消除了诸如 std::vector、std::string 之类的额外开销，也才使得函数对象容器 std::function 成为了可能。

要弄明白右值引用到底是怎么一回事，必须要对左值和右值做一个明确的理解。

左值(lvalue, left value)，顾名思义就是赋值符号左边的值。准确来说，左值是表达式（不一定是赋值表达式）后依然存在的持久对象。

右值(rvalue, right value)，右边的值，是指表达式结束后就不再存在的临时对象。

而 C++11 中为了引入强大的右值引用，将右值的概念进行了进一步的划分，分为：纯右值、将亡值。

纯右值(prvalue, pure rvalue)，纯粹的右值，要么是纯粹的字面量，例如 10, true；要么是求值结果相当于字面量或匿名临时对象，例如 1+2。非引用返回的临时变量、运算表达式产生的临时变量、原始字面量、Lambda 表达式都属于纯右值。

将亡值(xvalue, expiring value)，是 C++11 为了引入右值引用而提出的概念（因此在传统 C++中，纯右值和右值是同一个概念），也就是即将被销毁、却能够被移动的值。

将亡值可能稍有些难以理解，我们来看这样的代码：

std::vector<int> foo() {
    std::vector<int> temp = {1, 2, 3, 4};
    return temp;
}
std::vector<int> v = foo();

在这样的代码中，就传统的理解而言，函数 foo 的返回值 temp 在内部创建然后被赋值给 v，然而 v 获得这个对象时，会将整个 temp 拷贝一份，然后把销毁，如果这个 temp 非常大，这将造成大量额外的开销（这也就是传统 C++ 一直被诟病的问题）。在最后一行中，v 是左值、 foo() 返回的值就是右值（也是纯右值）。但是，v 可以被别的变量捕获到，而 foo() 产生的那个返回值作为一个临时值，一旦被 v 复制后，将立即被销毁，无法获取、也不能修改。而将亡值就定义了这样一种行为：临时的值能够被识别、同时又能够被移动。

在 C++11 之后，编译器为我们做了一些工作，此处的左值 temp 会被进行此隐式右值转换，等价于 static_cast<std::vector<int> &&>(temp)，进而此处的 v 会将 foo 局部返回的值进行移动。也就是后面我们将会提到的移动语义。

右值引用和左值引用

需要拿到一个将亡值，就需要用到右值引用的申明：T &&，其中 T 是类型。右值引用的声明让这个临时值的生命周期得以延长、只要变量还活着，那么将亡值将继续存活。

C++11 提供了 std::move 这个方法将左值参数无条件的转换为右值，有了它我们就能够方便的获得一个右值临时对象，例如：

#include <iostream>
#include <string>
void reference(std::string& str) {
    std::cout << "左值" << std::endl;
}
void reference(std::string&& str) {
    std::cout << "右值" << std::endl;
}
int main()
{
    std::string lv1 = "string,"; // lv1 是一个左值
    // std::string&& r1 = lv1; // 非法, 右值引用不能引用左值
    std::string&& rv1 = std::move(lv1); // 合法, std::move可以将左值转移为右值
    std::cout << rv1 << std::endl; // string,
    const std::string& lv2 = lv1 + lv1; // 合法, 常量左值引用能够延长临时变量的生命周期
    // lv2 += "Test"; // 非法, 常量引用无法被修改
    std::cout << lv2 << std::endl; // string,string
    std::string&& rv2 = lv1 + lv2; // 合法, 右值引用延长临时对象生命周期
    rv2 += "Test"; // 合法, 非常量引用能够修改临时变量
    std::cout << rv2 << std::endl; // string,string,string,Test
    reference(rv2); // 输出左值
    return 0;
}

rv2 虽然引用了一个右值，但由于它是一个引用，所以 rv2 依然是一个左值。

注意，这里有一个很有趣的历史遗留问题，我们先看下面的代码：

#include <iostream>
int main() {
    // int &a = std::move(1);    // 不合法，非常量左引用无法引用右值
    const int &b = std::move(1); // 合法, 常量左引用允许引用右值
    std::cout << a << b << std::endl;
}

第一个问题，为什么不允许非常量引用绑定到非左值？这是因为这种做法存在逻辑错误：

void increase(int & v) {
    v++;
}
void foo() {
    double s = 1;
    increase(s);
}

由于 int& 不能引用 double 类型的参数，因此必须产生一个临时值来保存 s 的值，从而当 increase() 修改这个临时值时，从而调用完成后 s 本身并没有被修改。

第二个问题，为什么常量引用允许绑定到非左值？原因很简单，因为 Fortran 需要。

传统 C++ 通过拷贝构造函数和赋值操作符为类对象设计了拷贝/复制的概念，但为了实现对资源的移动操作，调用者必须使用先复制、再析构的方式，否则就需要自己实现移动对象的接口。试想，搬家的时候是把家里的东西直接搬到新家去，而不是将所有东西复制一份（重买）再放到新家、再把原来的东西全部扔掉（销毁），这是非常反人类的一件事情。

在上面的代码中：

首先会在 return_rvalue 内部构造两个 A 对象，于是获得两个构造函数的输出；
函数返回后，产生一个将亡值，被 A 的移动构造（A(A&&)）引用，从而延长生命周期，并将这个右值中的指针拿到，保存到了 obj 中，而将亡值的指针被设置为 nullptr，防止了这块内存区域被销毁。

从而避免了无意义的拷贝构造，加强了性能。再来看看涉及标准库的例子：

#include <iostream> // std::cout
#include <utility> // std::move
#include <vector> // std::vector
#include <string> // std::string
int main() {
std::string str = "Hello world.";
std::vector<std::string> v;
    // 将使用 push_back(const T&), 即产生拷贝行为
    v.push_back(str);
    // 将输出 "str: Hello world."
    std::cout << "str: " << str << std::endl;
    // 将使用 push_back(const T&&), 不会出现拷贝行为
    // 而整个字符串会被移动到 vector 中，所以有时候 std::move 会用来减少拷贝出现的开销
    // 这步操作后, str 中的值会变为空
    v.push_back(std::move(str));
    // 将输出 "str: "
    return 0;
}

完美转发

前面我们提到了，一个声明的右值引用其实是一个左值。这就为我们进行参数转发（传递）造成了问题：

void reference(int& v) {
    std::cout << "左值" << std::endl;
}
    std::cout << "右值" << std::endl;
}
template <typename T>
void pass(T&& v) {
    std::cout << "普通传参:";
    reference(v); // 始终调用 reference(int&)
}
int main() {
    std::cout << "传递右值:" << std::endl;
    pass(1); // 1是右值, 但输出是左值
    std::cout << "传递左值:" << std::endl;
    int l = 1;
    pass(l); // l 是左值, 输出左值
    return 0;
}

对于 pass(1) 来说，虽然传递的是右值，但由于 v 是一个引用，所以同时也是左值。因此 reference(v) 会调用 reference(int&)，输出『左值』。而对于pass(l)而言，l是一个左值，为什么会成功传递给 pass(T&&) 呢？

这是基于引用坍缩规则的：在传统 C++ 中，我们不能够对一个引用类型继续进行引用，但 C++ 由于右值引用的出现而放宽了这一做法，从而产生了引用坍缩规则，允许我们对引用进行引用，既能左引用，又能右引用。但是却遵循如下规则：

因此，模板函数中使用 T&& 不一定能进行右值引用，当传入左值时，此函数的引用将被推导为左值。更准确的讲，无论模板参数是什么类型的引用，当且仅当实参类型为右引用时，模板参数才能被推导为右引用类型。这才使得 v 作为左值的成功传递。

完美转发就是基于上述规律产生的。所谓完美转发，就是为了让我们在传递参数的时候，保持原来的参数类型（左引用保持左引用，右引用保持右引用）。为了解决这个问题，我们应该使用 std::forward 来进行参数的转发（传递）：

#include <iostream>
#include <utility>
void reference(int& v) {
    std::cout << "左值引用" << std::endl;
}
void reference(int&& v) {
    std::cout << "右值引用" << std::endl;
}
template <typename T>
void pass(T&& v) {
    std::cout << "              普通传参: ";
    reference(v);
    std::cout << "       std::move 传参: ";
    reference(std::move(v));
    std::cout << "    std::forward 传参: ";
    reference(std::forward<T>(v));
    std::cout << "static_cast<T&&> 传参: ";
    reference(std::forward<T>(v));
}
int main() {
    std::cout << "传递右值:" << std::endl;
    pass(1);
    std::cout << "传递左值:" << std::endl;
    int v = 1;
    pass(v);
    return 0;
}

输出结果为：

传递右值:
              普通传参: 左值引用
       std::move 传参: 右值引用
    std::forward 传参: 右值引用
static_cast<T&&> 传参: 右值引用
传递左值:
              普通传参: 左值引用
       std::move 传参: 右值引用
    std::forward 传参: 左值引用
static_cast<T&&> 传参: 左值引用

无论传递参数为左值还是右值，普通传参都会将参数作为左值进行转发，所以 std::move 总会接受到一个左值，从而转发调用了reference(int&&) 输出右值引用。

唯独 std::forward 即没有造成任何多余的拷贝，同时完美转发(传递)了函数的实参给了内部调用的其他函数。

std::forward 和 std::move 一样，没有做任何事情，std::move 单纯的将左值转化为右值， std::forward 也只是单纯的将参数做了一个类型的转换，从现象上来看， std::forward<T>(v) 和 static_cast<T&&>(v) 是完全一样的。

读者可能会好奇，为何一条语句能够针对两种类型的返回对应的值，我们再简单看一看 std::forward 的具体实现机制，std::forward 包含两个重载：

template<typename _Tp>
constexpr _Tp&& forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) noexcept
{ return static_cast<_Tp&&>(__t); }
template<typename _Tp>
constexpr _Tp&& forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
{
    static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"
        " substituting _Tp is an lvalue reference type");
    return static_cast<_Tp&&>(__t);
}

在这份实现中，std::remove_reference 的功能是消除类型中的引用，而 std::is_lvalue_reference 用于检查类型推导是否正确，在 std::forward 的第二个实现中检查了接收到的值确实是一个左值，进而体现了坍缩规则。

当 std::forward 接受左值时，_Tp 被推导为左值，而所以返回值为左值；而当其接受右值时， _Tp 被推导为右值引用，则基于坍缩规则，返回值便成为了 && + && 的右值。可见 std::forward 的原理在于巧妙的利用了模板类型推导中产生的差异。

这时我们能回答这样一个问题：为什么在使用循环语句的过程中，auto&& 是最安全的方式？因为当被推到为不同的左右引用时，与 && 的坍缩组合是完美转发。

总结

本章介绍了现代 C++ 中最为重要的几个语言运行时的增强，其中笔者认为本节中提到的所有特性都是值得掌握的：

Lambda 表达式
函数对象容器 std::function
右值引用

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第 3 章 语言运行期的强化

第 3 章 语言运行期的强化

1. 值捕获

2. 引用捕获

泛型 Lambda

3.2 函数对象包装器

std::bind 和 std::placeholder

右值引用和左值引用

完美转发

总结

许可

第 3 章语言运行期的强化

第 3 章语言运行期的强化

`std::bind` 和 `std::placeholder`