Lambda回归：这是合法的吗？

问题描述 投票：121回答：6

考虑这个相当无用的程序：

#include <iostream>
int main(int argc, char* argv[]) {

  int a = 5;

  auto it = [&](auto self) {
      return [&](auto b) {
        std::cout << (a + b) << std::endl;
        return self(self);
      };
  };
  it(it)(4)(6)(42)(77)(999);
}

基本上我们正在尝试制作一个返回自己的lambda。

  • MSVC编译程序，然后运行
  • gcc编译程序，并且它是段错误的
  • clang用一条消息拒绝该程序： error: function 'operator()<(lambda at lam.cpp:6:13)>' with deduced return type cannot be used before it is defined

哪个编译器是对的？是否存在静态约束违规，UB或两者都没有？

clang接受更新此轻微修改：

  auto it = [&](auto& self, auto b) {
          std::cout << (a + b) << std::endl;
          return [&](auto p) { return self(self,p); };
  };
  it(it,4)(6)(42)(77)(999);

更新2：我理解如何编写一个返回自己的仿函数，或者如何使用Y组合器来实现这一点。这更像是一个语言律师问题。

更新3：问题不在于一般情况下lambda是否合法，而是关于这种特定方式的合法性。

相关问题：C++ lambda returning itself。

c++ lambda language-lawyer c++17 auto
6个回答
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根据[dcl.spec.auto]/9，该计划是不正确的（clang是对的）：

如果表达式中出现具​​有未取消的占位符类型的实体的名称，则该程序格式错误。但是，一旦在函数中看到了非丢弃的return语句，从该语句推导出的返回类型可以在函数的其余部分中使用，包括在其他return语句中。

基本上，内部lambda的返回类型的推导取决于它自己（这里命名的实体是调用操作符） - 所以你必须显式提供一个返回类型。在这种特殊情况下，这是不可能的，因为你需要内部lambda的类型但不能命名它。但是还有其他情况试图强制这样的递归lambdas，这可以工作。

即使没有这个，你也有一个dangling reference。

在与更聪明的人（即T.C.）讨论之后，让我详细说明一下。原始代码（略微减少）和提议的新版本（同样减少）之间存在重要差异：

auto f1 = [&](auto& self) {
  return [&](auto) { return self(self); } /* #1 */ ; /* #2 */
};
f1(f1)(0);

auto f2 = [&](auto& self, auto) {
  return [&](auto p) { return self(self,p); };
};
f2(f2, 0);

这就是内部表达self(self)不依赖于f1，但self(self, p)依赖于f2。当表达式是非依赖的时，可以使用它们......急切地（[temp.res]/8，例如static_assert(false)是一个硬错误，无论它发现自己的模板是否被实例化）。

对于f1，编译器（比如说，clang）可以尝试急切地实例化它。一旦你在上面的点;（这是内部lambda的类型）到达那个#2，你知道外部lambda的推导类型，但是我们试图比它更早地使用它（想象它在点#1） - 我们在我们仍在解析内部lambda之前尝试使用它，然后我们才知道它的类型实际上是什么。这与dcl.spec.auto/9发生冲突。

然而，对于f2，我们不能试图热切地实例化，因为它是依赖的。我们只能在使用点实例化，到那时我们知道一切。

为了真正做到这一点，你需要一个y-combinator。论文的实施：

template<class Fun>
class y_combinator_result {
    Fun fun_;
public:
    template<class T>
    explicit y_combinator_result(T &&fun): fun_(std::forward<T>(fun)) {}

    template<class ...Args>
    decltype(auto) operator()(Args &&...args) {
        return fun_(std::ref(*this), std::forward<Args>(args)...);
    }
};

template<class Fun>
decltype(auto) y_combinator(Fun &&fun) {
    return y_combinator_result<std::decay_t<Fun>>(std::forward<Fun>(fun));
}

而你想要的是：

auto it = y_combinator([&](auto self, auto b){
    std::cout << (a + b) << std::endl;
    return self;
});
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编辑：根据C ++规范，这种结构是否严格有效似乎存在争议。流行的观点似乎是无效的。请参阅其他答案以进行更全面的讨论。如果结构有效，则本答案的其余部分适用;下面调整的代码适用于MSVC ++和gcc，OP已经发布了与clang一起使用的进一步修改代码。

这是未定义的行为，因为内部lambda通过引用捕获参数self，但self在第7行的return之后超出范围。因此，当稍后执行返回的lambda时，它正在访问已经消失的变量的引用范围。

#include <iostream>
int main(int argc, char* argv[]) {

  int a = 5;

  auto it = [&](auto self) {
      return [&](auto b) {
        std::cout << (a + b) << std::endl;
        return self(self); // <-- using reference to 'self'
      };
  };
  it(it)(4)(6)(42)(77)(999); // <-- 'self' is now out of scope
}

使用valgrind运行程序说明了这一点：

==5485== Memcheck, a memory error detector
==5485== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==5485== Using Valgrind-3.13.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==5485== Command: ./test
==5485== 
9
==5485== Use of uninitialised value of size 8
==5485==    at 0x108A20: _ZZZ4mainENKUlT_E_clIS0_EEDaS_ENKUlS_E_clIiEEDaS_ (test.cpp:8)
==5485==    by 0x108AD8: main (test.cpp:12)
==5485== 
==5485== Invalid read of size 4
==5485==    at 0x108A20: _ZZZ4mainENKUlT_E_clIS0_EEDaS_ENKUlS_E_clIiEEDaS_ (test.cpp:8)
==5485==    by 0x108AD8: main (test.cpp:12)
==5485==  Address 0x4fefffdc4 is not stack'd, malloc'd or (recently) free'd
==5485== 
==5485== 
==5485== Process terminating with default action of signal 11 (SIGSEGV)
==5485==  Access not within mapped region at address 0x4FEFFFDC4
==5485==    at 0x108A20: _ZZZ4mainENKUlT_E_clIS0_EEDaS_ENKUlS_E_clIiEEDaS_ (test.cpp:8)
==5485==    by 0x108AD8: main (test.cpp:12)
==5485==  If you believe this happened as a result of a stack
==5485==  overflow in your program's main thread (unlikely but
==5485==  possible), you can try to increase the size of the
==5485==  main thread stack using the --main-stacksize= flag.
==5485==  The main thread stack size used in this run was 8388608.

相反，您可以通过引用而不是值来更改外部lambda以获取self，从而避免一堆不必要的副本并解决问题：

#include <iostream>
int main(int argc, char* argv[]) {

  int a = 5;

  auto it = [&](auto& self) { // <-- self is now a reference
      return [&](auto b) {
        std::cout << (a + b) << std::endl;
        return self(self);
      };
  };
  it(it)(4)(6)(42)(77)(999);
}

这有效：

==5492== Memcheck, a memory error detector
==5492== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==5492== Using Valgrind-3.13.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==5492== Command: ./test
==5492== 
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TL;DR;

铿锵是对的。

看起来标准的部分使得这个格式不正确的是[dcl.spec.auto]p9：

如果表达式中出现具​​有未取消的占位符类型的实体的名称，则该程序格式错误。但是，一旦在函数中看到了非丢弃的return语句，从该语句推导出的返回类型可以在函数的其余部分中使用，包括在其他return语句中。 [例如：

auto n = n; // error, n’s initializer refers to n
auto f();
void g() { &f; } // error, f’s return type is unknown

auto sum(int i) {
  if (i == 1)
    return i; // sum’s return type is int
  else
    return sum(i-1)+i; // OK, sum’s return type has been deduced
}

- 末端的例子]

Original work through

如果我们查看提案A Proposal to Add Y Combinator to the Standard Library，它提供了一个有效的解决方案：

template<class Fun>
class y_combinator_result {
    Fun fun_;
public:
    template<class T>
    explicit y_combinator_result(T &&fun): fun_(std::forward<T>(fun)) {}

    template<class ...Args>
    decltype(auto) operator()(Args &&...args) {
        return fun_(std::ref(*this), std::forward<Args>(args)...);
    }
};

template<class Fun>
decltype(auto) y_combinator(Fun &&fun) {
    return y_combinator_result<std::decay_t<Fun>>(std::forward<Fun>(fun));
}

它明确地说你的例子是不可能的：

C ++ 11/14 lambdas不鼓励递归：没有办法从lambda函数的主体引用lambda对象。

它引用了一个dicussion in which Richard Smith alludes to the error that clang is giving you：

我认为这将是一个更好的一流语言功能。我没有时间参加科纳会议前的会议，但是我打算写一篇论文，以便给一个lambda一个名字（作用于自己的身体）：

auto x = []fib(int a) { return a > 1 ? fib(a - 1) + fib(a - 2) : a; };

在这里，'fib'相当于lambda的* this（尽管lambda的闭包类型不完整，但仍有一些令人讨厌的特殊规则允许它工作）。

巴里向我指出后续提案Recursive lambdas，它解释了为什么这是不可能的，并解决dcl.spec.auto#9限制，并且还显示了今天没有它的方法：

Lambdas是本地代码重构的有用工具。但是，我们有时希望在自身内部使用lambda，以允许直接递归或允许将闭包注册为延续。在当前的C ++中，这很难很好地实现。

例：

  void read(Socket sock, OutputBuffer buff) {
  sock.readsome([&] (Data data) {
  buff.append(data);
  sock.readsome(/*current lambda*/);
}).get();

}

从自身引用lambda的一种自然尝试是将其存储在变量中并通过引用捕获该变量：

 auto on_read = [&] (Data data) {
  buff.append(data);
  sock.readsome(on_read);
};

但是，由于语义循环性，这是不可能的：直到处理lambda表达式之后才推导出auto变量的类型，这意味着lambda表达式不能引用变量。

另一种自然的方法是使用std :: function：

 std::function on_read = [&] (Data data) {
  buff.append(data);
  sock.readsome(on_read);
};

这种方法可以编译，但通常会引入抽象惩罚：std :: function可能会产生内存分配，而lambda的调用通常需要间接调用。

对于零开销解决方案，通常没有比明确定义本地类类型更好的方法。

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看来clang是对的。考虑一个简化的例子：

auto it = [](auto& self) {
    return [&self]() {
      return self(self);
    };
};
it(it);

让我们像编译器（一点点）一样经历它：

  • it的类型是带模板调用运算符的Lambda1。
  • it(it);触发调用操作符的实例化
  • 模板调用运算符的返回类型是auto，因此我们必须推导出它。
  • 我们返回一个lambda捕获Lambda1类型的第一个参数。
  • 该lambda也有一个调用运算符，它返回调用self(self)的类型
  • 注意：self(self)正是我们开始的！

因此，不能推断出类型。

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那么，你的代码不起作用。但这样做：

template<class F>
struct ycombinator {
  F f;
  template<class...Args>
  auto operator()(Args&&...args){
    return f(f, std::forward<Args>(args)...);
  }
};
template<class F>
ycombinator(F) -> ycombinator<F>;

测试代码：

ycombinator bob = {[x=0](auto&& self)mutable{
  std::cout << ++x << "\n";
  ycombinator ret = {self};
  return ret;
}};

bob()()(); // prints 1 2 3

您的代码是UB和格式错误，无需诊断。哪个好笑;但两者都可以独立修复。

首先，UB：

auto it = [&](auto self) { // outer
  return [&](auto b) { // inner
    std::cout << (a + b) << std::endl;
    return self(self);
  };
};
it(it)(4)(5)(6);

这是UB，因为外部按值获取self，然后内部通过引用捕获self，然后在outer完成运行后继续返回它。所以segfaulting绝对可以。

修复：

[&](auto self) {
  return [self,&a](auto b) {
    std::cout << (a + b) << std::endl;
    return self(self);
  };
};

代码仍然是不正确的。为了看到这个，我们可以扩展lambdas：

struct __outer_lambda__ {
  template<class T>
  auto operator()(T self) const {
    struct __inner_lambda__ {
      template<class B>
      auto operator()(B b) const {
        std::cout << (a + b) << std::endl;
        return self(self);
      }
      int& a;
      T self;
    };
    return __inner_lambda__{a, self};
  }
  int& a;
};
__outer_lambda__ it{a};
it(it);

这实例化__outer_lambda__::operator()<__outer_lambda__>：

  template<>
  auto __outer_lambda__::operator()(__outer_lambda__ self) const {
    struct __inner_lambda__ {
      template<class B>
      auto operator()(B b) const {
        std::cout << (a + b) << std::endl;
        return self(self);
      }
      int& a;
      __outer_lambda__ self;
    };
    return __inner_lambda__{a, self};
  }
  int& a;
};

所以我们接下来要确定__outer_lambda__::operator()的返回类型。

我们逐行完成它。首先我们创建__inner_lambda__类型：

    struct __inner_lambda__ {
      template<class B>
      auto operator()(B b) const {
        std::cout << (a + b) << std::endl;
        return self(self);
      }
      int& a;
      __outer_lambda__ self;
    };

现在，看那里 - 它的返回类型是self(self)，或__outer_lambda__(__outer_lambda__ const&)。但我们正试图推断出__outer_lambda__::operator()(__outer_lambda__)的回归类型。

你不被允许这样做。

事实上，__outer_lambda__::operator()(__outer_lambda__)的返回类型实际上并不依赖于__inner_lambda__::operator()(int)的返回类型，但C ++在推导返回类型时并不在意;它只是逐行检查代码。

在推导之前使用self(self)。生病的程序。

我们可以通过隐藏self(self)来修补此问题，直到以后：

template<class A, class B>
struct second_type_helper { using result=B; };

template<class A, class B>
using second_type = typename second_type_helper<A,B>::result;

int main(int argc, char* argv[]) {

  int a = 5;

  auto it = [&](auto self) {
      return [self,&a](auto b) {
        std::cout << (a + b) << std::endl;
        return self(second_type<decltype(b), decltype(self)&>(self) );
      };
  };
  it(it)(4)(6)(42)(77)(999);
}

现在代码是正确的并且编译。但我认为这有点像黑客;只需使用ycombinator。

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根据编译器为lambda表达式生成或者更确切地说应该为lambda表达式生成的类来重写代码是很容易的。

当这样做时，很明显主要问题只是悬空引用，并且不接受代码的编译器在lambda部门中受到了一些挑战。

重写显示没有循环依赖。

#include <iostream>

struct Outer
{
    int& a;

    // Actually a templated argument, but always called with `Outer`.
    template< class Arg >
    auto operator()( Arg& self ) const
        //-> Inner
    {
        return Inner( a, self );    //! Original code has dangling ref here.
    }

    struct Inner
    {
        int& a;
        Outer& self;

        // Actually a templated argument, but always called with `int`.
        template< class Arg >
        auto operator()( Arg b ) const
            //-> Inner
        {
            std::cout << (a + b) << std::endl;
            return self( self );
        }

        Inner( int& an_a, Outer& a_self ): a( an_a ), self( a_self ) {}
    };

    Outer( int& ref ): a( ref ) {}
};

int main() {

  int a = 5;

  auto&& it = Outer( a );
  it(it)(4)(6)(42)(77)(999);
}

一个完全模板化的版本，以反映原始代码中内部lambda的方式，捕获一个模板化类型的项：

#include <iostream>

struct Outer
{
    int& a;

    template< class > class Inner;

    // Actually a templated argument, but always called with `Outer`.
    template< class Arg >
    auto operator()( Arg& self ) const
        //-> Inner
    {
        return Inner<Arg>( a, self );    //! Original code has dangling ref here.
    }

    template< class Self >
    struct Inner
    {
        int& a;
        Self& self;

        // Actually a templated argument, but always called with `int`.
        template< class Arg >
        auto operator()( Arg b ) const
            //-> Inner
        {
            std::cout << (a + b) << std::endl;
            return self( self );
        }

        Inner( int& an_a, Self& a_self ): a( an_a ), self( a_self ) {}
    };

    Outer( int& ref ): a( ref ) {}
};

int main() {

  int a = 5;

  auto&& it = Outer( a );
  it(it)(4)(6)(42)(77)(999);
}

我猜这是内部机制的模板，正式的规则被设计为禁止。如果他们确实禁止原始构造。

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