C++ lambda 内 std::move 失效问题的思考

发表于 2019-09-29 更新于 2020-08-20 分类于 C++ 阅读次数：

最近在写 C++ 时，有这样一个代码需求：在 lambda 中，将一个捕获参数 move 给另外一个变量。
看似一个很简单常规的操作，然而这个 move 动作却没有生效。

具体代码如下：

std::vector<int> vec = {1,2,3};

auto func = [=](){
    auto vec2 = std::move(vec);
    std::cout << vec.size() << std::endl; // 输出：3
    std::cout << vec2.size() << std::endl; // 输出：3
};

代码可在 wandbox 运行。

我们期望的是，将对变量 vec 调用 std::move 后，数据将会移动至变量 vec2, 此时 vec 里面应该没有数据了。但是通过打印 vec.size() 发现 vec 中的数据并没有按预期移走。

这也就意味着，构造 vec2 时并没有按预期调用移动构造函数，而是调用了拷贝构造函数。

为什么会造成这个问题呢, 我们需要结合 std::move 和 lambda 的原理看下。（最终的解决方案可以直接看这里）

std::move 的本质

对于 std::move，有两点需要注意：

std::move 中到底做了什么事情
std::move 是否可以保证数据一定能移动成功

对于第二点来说，答案显然是不能。这也是本文的问题所在。那么 std::move 实际上是做了什么事情呢？

对于 std::move，其实现大致如下：

template<typename T>
decltype(auto) move(T&& param)
{
    using ReturnType = remove_reference_t<T>&&;
    return static_cast<ReturnType>(param);
}

从代码可以看出，std::move 本质上是调用了 static_cast 做了一层强制转换，强制转换的目标类型是 remove_reference_t<T>&&，remove_reference_t 是为了去除类型本身的引用，例如左值引用。总结来说，std::move 本质上是将对象强制转换为了右值引用。

那么，为什么我们通常使用 std::move 实现移动语义，可以将一个对象的数据移给另外一个对象？

这是因为 std::move 配合了移动构造函数使用，本质上是移动构造函数起了作用。移动构造函数的一般定义如下：

class A{
public:
    A(A &&);
};

可以看到移动构造函数的参数就是个右值引用 A&&，因此 A a = std::move(b);, 本质上是先将 b 强制转化了右值引用 A&&,
然后触发了移动构造函数，在移动构造函数中，完成了对象 b 的数据到对象 a 的移动。

那么，在哪些情况下，A a = std::move(b); 会失效呢？
显然是，当 std::move 强转后的类型不是 A&&，这样就不会命中移动构造函数。

例如：

const std::string str = "123"
std::string str2(std::move(str));

这个时候，对 str 对象调用 std::move，强转出来的类型将会是 const string&&, 这样移动构造函数就不会起作用了，但是这个类型却可以令复制构造函数生效。

结合本文最初的问题，在 lambda 中 move 没有生效，显然也是 std::move 强转的类型不是 std::vector<int>&&, 才导致了没有 move 成功。

那么，为什么会出现这个问题呢，我们需要理解下 lambda 的工作原理。

lambda 闭包原理

对于 c++ 的 lambda，编译器会将 lambda 转化为一个独一无二的闭包类。而 lambda 对象最终会转化成这个闭包类的对象。
对于本文最初的这个 lambda 来说，最终实际上转化成了这么一个类型

// 转换前
auto func = [=](){
    auto vec2 = std::move(vec);
};

// 转换后
class ClosureFunc{
public:
    void operator() const{
        auto vec2 = std::move(vec);
    };

private:
    std::vector<int> vec;
};

ClosureFunc func;

这里需要注意, lambda 的默认行为是，生成的闭包类的 operator() 默认被 const 修饰。

那么这里问题就来了，当调用 operator() 时, 该闭包类所有的成员变量也是被 const 修饰的，此时对成员变量调用 std::move 将会引发上文中提到的，强转出来的类型将会是 const string&& 问题。因此，移动构造函数将不会被匹配到。

我们最初的问题 lambda 中 std::move 失效的问题，也是因为这个原因。这也很符合 const 函数的语义: const 函数是不能修改成员变量的值。

解决方案

那么，这个应该怎么解决呢？答案是 mutable。即在 lambda 尾部声明一个 mutable，如下：

auto func = [=]() mutable{
    auto vec2 = std::move(vec);
};

这样编译器生成的闭包类的 operator() 将会不带 const 了。我们的 std::move 也可以正常转换，实现移动语义了。

std::vector<int> vec = {1,2,3};

auto func = [=]() mutable{
    auto vec2 = std::move(vec);
    std::cout <<vec.size() << std::endl; // 输出：0
    std::cout <<vec2.size() << std::endl; // 输出：3
};

代码可以在 wandbox 运行。

std::move 的本质

lambda 闭包原理

解决方案

参考