CPU眼里的:匿名函数 | Lambda | 捕获

“匿名函数（也称Lambda函数）是C++中十分常用的编码方式，但你知道它背后的实现机制和工作原理吗？”

01

提出问题

Lambda，也就是匿名函数，是C++和很多高级编程语言的宠儿。它们灵活多变的形态，让多少程序员感叹编程之美；又让多少程序员感叹C++的博大精深，不可琢磨。

特别是lambda逆天的捕获（capture）能力，更是让人叹为观止。除了多背语法规则，多多练习以外，还有什么更好的办法，来驯服这条让人爱恨交织的语法规则呢？

02

代码分析

这里让我们用CPU的视角，解读一下lambda，看看是否有既简单又清晰的分析思路？话不多说，打开Compiler Explorer，让我们编写一个世界上最简单的lambda测试函数test。

在里面定义一个lambda函数：lmd，它有一个参数a，做一个简单的赋值：a = 1；随后做一下函数lmd的调用。

void test()
{
    auto lmd = [](long a){ a = 1; };
    lmd(2);
}

看到了吗？有趣的事情发生了，如图所示。

虽然我们只定义了一个函数test，但编译器实际上为我们生成了2个函数。一个是我们编写的函数test，用来作lambda函数的调用；另一个是函数调用操作符，也就是lambda函数lmd的函数体。

从外表上看，函数调用操作符跟普通函数的路数，十分相似。所以，所谓的匿名函数，不过是编译器偷偷帮我们定义了一个函数而已。如果不出意外的话，这个lambda函数应该跟普通函数，并无区别。

让我们眼见为实，写一个类似的普通函数func，它也只有一个参数a，也只做最简单的赋值操作。

void func(long a)
{
    a = 1;
}

void test()
{
    auto lmd = [](long a){ a = 1; };
    lmd(2);
}

好了，让我们比较一下普通函数func和lambda函数lmd的CPU指令，如图所示。

结果还是不出意外的出现了意外，它们的指令居然不同！到底哪里出了问题？

让我们一起分析一下，如同文章“CPU眼里的：this”中关于this指针的实现一样，根据lambda函数lmd对应的对应CPU指令，我们可以看出：编译器给函数lmd偷偷夹带了一个隐藏参数！

让我们也为普通函数func，添加一个参数v。此时，如下图所示，此时普通函数func跟函数lmd对应的CPU指令，完全相同！两种函数的底层实现，是完全一致的。

当然，此时这个隐藏参数v，并没有实际意义，完全可以省略。但当代码再复杂一点的时候，它就不是可有可无的了。

03

值捕获

好了，让我们提高难度，作一下“捕获”，看看捕获是如何跨作用域，读、写变量的。定义一个函数test1，里面定了一个变量a；随后，定义一个lambda函数lmd1，并对变量a进行“值捕获”，也就是在中括号中加上a；最后，作一下函数lmd1的调用。如图所示。

跟刚才的情况类似，编译器还是给我们生成了两个函数。一个是我们编写的函数test1；一个是lambda函数对应的函数调用操作符。

与其用人类的语言，解释lambda函数是如何实现对变量a的“值捕获”，不如，用代码来解释代码。

让我们再写一个与lmd1等价的普通函数：func1。如图所示。

如你所见，两个函数对应的CPU指令完全相同。原来所谓的“值捕获”，跟普通的参数传递，并没有本质区别！

那为什么要传递指针呢？这个指针到底是谁的内存地址呢？答案要从函数func1的调用阶段说起。让我们一起完成函数func1的调用部分。

写一个调用函数call_func1，里面定义一个变量a；然后，再定义一个变量v，并把变量a的值，拷贝给变量v；随后，调用函数func1，会把变量v的地址和数值2，一起传递给函数func1。如图所示。

如你所见，函数call_func1和函数test1，所对应的CPU指令，完全相同！原来所谓的“值捕获”，会克隆一个变量a。

这里的克隆体，就是变量v，它的地址，将会被传递给lambda函数，因为二者的数值相同，就间接实现了：lambda函数，可以跨作用域的读取(不能写)外部变量a。

好了，让我们再从CPU的视角，执行一下这个调用过程。在没有lambda函数的情况，CPU和堆栈的状态如图的左侧所示。

堆栈中只存储着变量a的值：1，变量a所在的内存地址是0x8000。随着lambda函数的出现，栈顶向下移动，为隐藏变量v开辟了8字节的空间，并用来存储变量a的值：1。变量v所在的内存地址是0x7FF8。所以，可以把变量v看作是变量a的克隆体。

随后，调用lambda函数lmd1。变量v的内存地址：0x7FF8和数值2，就会被加载到CPU寄存器rdi和esi里面，以备函数lmd1使用。关于参数传递的细节，还可以参看文章“CPU眼里的参数传递”。

如上图的右侧所示，由于函数lmd1只能得到克隆体变量v的内存地址0x7FF8，并不是本体变量a的内存地址0x8000。所以，它只能读、写克隆体v，而不会影响到外部变量a。

04

引用捕获

那“引用捕获”又是如何实现的呢？答案是：换汤不换药。不同的是：此时隐藏变量v保存的不再是变量a的值，而是变量a的内存地址：0x8000，从堆栈内存上看，它们是这样的，如图所示（左侧是值捕获，右侧是引用捕获）。

所以，为了在右侧的lambda函数lmd2中，读、写变量a，就需要对隐藏变量v，作两次指针的*操作。

第一次*操作，是从0x7FF8中读取变量a的内存地址：0x8000；第二次*操作，是从0x80000中读取变量a的值：1

这时，如果我们在函数lmd2中改变a的值，就会影响外部变量a的值，因为它和外部变量a一样，最终都会操作同一块内存地址：0x8000。

05

总结

• 对于不需要复用的简单函数，lambda函数是一个非常不错的选择。当然，lambda函数的实现，跟普通函数基本相同，只是，它是由编译器偷偷定义的，所以对程序员不可见。
• “捕获”这个词，非常玄幻，甚至有点声东击西。如果不考虑字面意思，其本质上还是在作lambda函数的参数传递。但由于它让lambda函数获得了：跨作用域操作变量的能力，这让lambda函数显得比普通函数更加强大。
• “值捕获”，会克隆一个被捕获的变量，并将克隆体的内存地址传递给lambda函数使用；而“引用捕获”会间接传递本体变量的内存地址，这使得lambda函数也可以读、写本体变量。
• 所谓成也萧何，败也萧何；使用“引用捕获”的时候，需要对被引用变量的生命周期，有清晰的认识，否则一旦出现错误，就很难调试或查找问题的根源。

06

热点问题

Q1：Lambda的捕获能力，让程序员可以用更简洁的代码，实现更加复杂的功能。所以，它算是C++的语法糖吗？

A1：很好的总结。从实现的角度而言，用C语言也可以实现Lambda的捕获功能，但代码会比较啰嗦。说Lambda是语法糖，阿布觉得也没有什么不妥。但凡事都有两面性，简洁的代码固然好，但如果需要配合过于复杂的语法解释的话，这个语法糖可能就没有那么好吃了。

从另一个角度上看，Lambda可以减少代码的行数，但包含的Lambda的代码，往往涉及的元素（例如：函数参数）比较多，其可读性往往不如普通代码，需要开发者有一个适应过程。

Q2：之前有看到过一篇文章中介绍，编译器会使用类来实现Lambda表达式，例如：函数调用操作（运算）符，这种说法正确吗？

A2：这种说法是有道理的，甚至我也可以从本文的内容中，找到依据。例如编译器为Lambda函数生成的代码中，通常用类的函数操作（运算）符来标识，例如：test1()::{lambda(long)#1}::operator()(long) const。不过这更像是对同一件事情的不同描述。你可以认为这是在用类实现Lambda，也可以认为是在用普通C函数实现Lambda。

例如文章“CPU眼里的：class vs struct”，对于class的某些特性，用C++的语法可以解释清楚；用C语言的语法也可以解释清楚，甚至可以用对方的语言，实现自己的功能。

适当的抽象和使用概念，弄帮我们构建复杂的上层系统，帮助程序员之间的沟通、交流。但当我们站在底层的实现层面时，具体的CPU指令和行为对我们来说更加重要。如果在底层的实现层面参杂过多的抽象，可能把问题变得更加复杂，让编程走向玄学。

07

更多知识

如果喜欢阿布这种解读方式，希望更加系统学习这些编程知识的话，也可以考虑看看由阿布亲自编写，并由多位微软大佬联袂推荐的新书《CPU眼里的C/C++》