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265
6.Lambda Expressions/item31.md
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6.Lambda Expressions/item31.md
Normal file
@ -0,0 +1,265 @@
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# 避免使用默认捕获模式
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C++11中有两种默认的捕获模式：按引用捕获和按值捕获。但按引用捕获可能会带来悬空引用的问题，而按值引用可能会诱骗你让你以为能解决悬空引用的问题（实际上并没有），还会让你以为你的闭包是独立的（事实上也不是独立的）。
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这就是本条目的一个总结。如果你是一个工程师，渴望了解更多内容，就让我们从按引用捕获的危害谈起把。
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按引用捕获会导致闭包中包含了对局部变量或者某个形参（位于定义lambda的作用域）的引用，如果该lambda创建的闭包生命周期超过了局部变量或者参数的生命周期，那么闭包中的引用将会变成悬空引用。举个例子，假如我们有一个元素是过滤函数的容器，该函数接受一个int作为参数，并返回一个布尔值，该布尔值的结果表示传入的值是否满足过滤条件。
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```c++
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using FilterContainer = // see Item 9 for
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std::vector<std::function<bool(int)>>; // "using", Item 2
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// for std::function
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FilterContainer filters; // filtering funcs
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```
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我们可以添加一个过滤器，用来过滤掉5的倍数。
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```c++
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filters.emplace_back( // see Item 42 for
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[](int value) { return value % 5 == 0; } // info on
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);
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```
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然而我们可能需要的是能够在运行期获得被除数，而不是将5硬编码到lambda中。因此添加的过滤器逻辑将会是如下这样：
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```c++
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void addDivisorFilter()
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{
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auto calc1 = computeSomeValue1();
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auto calc2 = computeSomeValue2();
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auto divisor = computeDivisor(calc1, calc2);
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filters.emplace_back( // danger!
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[&](int value) { return value % divisor == 0; } // ref to
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); // divisor
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} // will
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// dangle!
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```
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这个代码实现是一个定时炸弹。lambda对局部变量divisor进行了引用，但该变量的生命周期会在addDivisorFilter返回时结束，刚好就是在语句filters.emplace_back返回之后，因此该函数的本质就是容器添加完，该函数就死亡了。使用这个filter会导致未定义行为，这是由它被创建那一刻起就决定了的。
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现在，同样的问题也会出现在divisor的显式按引用捕获。
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```c++
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filters.emplace_back(
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[&divisor](int value) // danger! ref to
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{ return value % divisor == 0; } // divisor will
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);
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```
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但通过显式的捕获，能更容易看到lambda的可行性依赖于变量divisor的生命周期。另外，写成这种形式能够提醒我们要注意确保divisor的生命周期至少跟lambda闭包一样长。比起"[&]"传达的意思，显式捕获能让人更容易想起“确保没有悬空变量”。
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如果你知道一个闭包将会被马上使用（例如被传入到一个stl算法中）并且不会被拷贝，那么在lambda环境中使用引用捕获将不会有风险。在这种情况下，你可能会争论说，没有悬空引用的危险，就不需要避免使用默认的引用捕获模式。例如，我们的过滤lambda只会用做C++11中std::all_of的一个参数，返回满足条件的所有元素：
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```c++
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template<typename C>
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void workWithContainer(const C& container)
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{
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auto calc1 = computeSomeValue1(); // as above
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auto calc2 = computeSomeValue2(); // as above
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auto divisor = computeDivisor(calc1, calc2); // as above
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using ContElemT = typename C::value_type; // type of
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// elements in
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// container
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using std::begin; // for
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using std::end; // genericity;
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// see Item 13
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if (std::all_of( // if all values
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begin(container), end(container), // in container
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[&](const ContElemT& value) // are multiples
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{ return value % divisor == 0; }) // of divisor...
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) {
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… // they are...
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} else {
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… // at least one
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} // isn't...
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}
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```
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的确如此，这是安全的做法，但这种安全是不确定的。如果发现lambda在其它上下文中很有用（例如作为一个函数被添加在filters容器中），然后拷贝粘贴到一个divisor变量已经死亡的，但闭包生命周期还没结束的上下文中，你又回到了悬空的使用上了。同时，在该捕获语句中，也没有特别提醒了你注意分析divisor的生命周期。
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从长期来看，使用显式的局部变量和参数引用捕获方式，是更加符合软件工程规范的做法。
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额外提一下，C++14支持了在lambda中使用auto来声明变量，上面的代码在C++14中可以进一步简化，ContElemT的别名可以去掉，if条件可以修改为：
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```c++
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if (std::all_of(begin(container), end(container),
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[&](const auto& value) // C++14
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{ return value % divisor == 0; }))
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```
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一个解决问题的方法是，divisor按值捕获进去，也就是说可以按照以下方式来添加lambda：
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```c++
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filters.emplace_back( // now
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[=](int value) { return value % divisor == 0; } // divisor
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); // can't
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// dangle
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```
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这足以满足本实例的要求，但在通常情况下，按值捕获并不能完全解决悬空引用的问题。这里的问题是如果你按值捕获的是一个指针，你将该指针拷贝到lambda对应的闭包里，但这样并不能避免lambda外删除指针的行为，从而导致你的指针变成悬空指针。
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也许你要抗议说：“这不可能发生。看过了第四章，我对智能指针的使用非常热衷。只有那些失败的C++98的程序员才会用裸指针和delete语句。”这也许是正确的，但却是不相关的，因为事实上你的确会使用裸指针，也的确存在被你删除的可能性。只不过在现代的C++编程风格中，不容易在源代码中显露出来而已。
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假设在一个Widget类，可以实现向过滤容器添加条目：
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```c++
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class Widget {
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public:
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… // ctors, etc.
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void addFilter() const; // add an entry to filters
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private:
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int divisor; // used in Widget's filter
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};
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```
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这是Widget::addFilter的定义：
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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{
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filters.emplace_back(
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[=](int value) { return value % divisor == 0; }
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);
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}
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```
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这个做法看起来是安全的代码，lambda依赖于变量divisor，但默认的按值捕获被拷贝进了lambda对应的所有比保重，这真的正确吗？
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错误，完全错误。
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闭包只会对lambda被创建时所在作用域里的非静态局部变量生效。在Widget::addFilter()的视线里，divisor并不是一个局部变量，而是Widget类的一个成员变量。它不能被捕获。如果默认捕获模式被删除，代码就不能编译了：
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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{
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filters.emplace_back( // error!
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[](int value) { return value % divisor == 0; } // divisor
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); // not
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} // available
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```
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另外，如果尝试去显式地按引用或者按值捕获divisor变量，也一样会编译失败，因为divisor不是这里的一个局部变量或者参数。
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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{
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filters.emplace_back(
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[divisor](int value) // error! no local
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{ return value % divisor == 0; } // divisor to capture
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);
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}
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```
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因此这里的默认按值捕获并不是不会变量divisor，但它的确能够编译通过，这是怎么一回事呢？
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解释就是这里隐式捕获了this指针。每一个非静态成员函数都有一个this指针，每次你使用一个类内的成员时都会使用到这个指针。例如，编译器会在内部将divisor替换成this->divisor。这里Widget::addFilter()的版本就是按值捕获了this。
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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{
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filters.emplace_back(
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[=](int value) { return value % divisor == 0; }
|
||||
);
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}
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```
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真正被捕获的是Widget的this指针。编译器会将上面的代码看成以下的写法：
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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{
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auto currentObjectPtr = this;
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filters.emplace_back(
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[currentObjectPtr](int value)
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{ return value % currentObject->divisor == 0; }
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);
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}
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```
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明白了这个就相当于明白了lambda闭包的生命周期与Widget对象的关系，闭包内含有Widget的this指针的拷贝。特别是考虑以下的代码，再参考一下第四章的内容，只使用智能指针：
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```c++
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using FilterContainer = // as before
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std::vector<std::function<bool(int)>>;
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FilterContainer filters; // as before
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void doSomeWork()
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{
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auto pw = // create Widget; see
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std::make_unique<Widget>(); // Item 21 for
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// std::make_unique
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pw->addFilter(); // add filter that uses
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// Widget::divisor
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…
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} // destroy Widget; filters
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// now holds dangling pointer!
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```
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当调用doSomeWork时，就会创建一个过滤器，其生命周期依赖于由std::make_unique管理的Widget对象。即一个含有Widget this指针的过滤器。这个过滤器被添加到filters中，但当doSomeWork结束时，Widget会由std::unique_ptr去结束其生命。从这时起，filter会含有一个悬空指针。
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这个特定的问题可以通过做一个局部拷贝去解决：
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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{
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auto divisorCopy = divisor; // copy data member
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filters.emplace_back(
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[divisorCopy](int value) // capture the copy
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{ return value % divisorCopy == 0; } // use the copy
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);
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}
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```
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事实上如果采用这种方法，默认的按值捕获也是可行的。
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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||||
{
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||||
auto divisorCopy = divisor; // copy data member
|
||||
filters.emplace_back(
|
||||
[=](int value) // capture the copy
|
||||
{ return value % divisorCopy == 0; } // use the copy
|
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);
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}
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```
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但为什么要冒险呢？当你一开始捕获divisor的时候，默认的捕获模式就会自动将this指针捕获进来了。
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在C++14中，一个更好的捕获成员变量的方式时使用通用的lambda捕获：
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```c++
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void Widget::addFilter() const
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{
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filters.emplace_back( // C++14:
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[divisor = divisor](int value) // copy divisor to closure
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{ return value % divisor == 0; } // use the copy
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);
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}
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```
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这种通用的lambda捕获并没有默认的捕获模式，因此在C++14中，避免使用默认捕获模式的建议仍然时成立的。
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使用默认的按值捕获还有另外的一个缺点，它们预示了相关的闭包是独立的并且不受外部数据变化的影响。一般来说，这是不对的。lambda并不会独立于局部变量和参数，但也没有不受静态存储生命周期的影响。一个定义在全局空间或者指定命名空间的全局变量，或者是一个声明为static的类内或文件内的成员。这些对象也能在lambda里使用，但它们不能被捕获。但按值引用可能会因此误导你，让你以为捕获了这些变量。参考下面版本的addDivisorFilter()函数：
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```c++
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void addDivisorFilter()
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{
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static auto calc1 = computeSomeValue1(); // now static
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static auto calc2 = computeSomeValue2(); // now static
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||||
static auto divisor = // now static
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||||
computeDivisor(calc1, calc2);
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||||
filters.emplace_back(
|
||||
[=](int value) // captures nothing!
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||||
{ return value % divisor == 0; } // refers to above static
|
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);
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||||
++divisor; // modify divisor
|
||||
}
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```
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随意地看了这份代码的读者可能看到"[=]"，就会认为“好的，lambda拷贝了所有使用的对象，因此这是独立的”。但上面的例子就表现了不独立闭包的一种情况。它没有使用任何的非static局部变量和形参，所以它没有捕获任何东西。然而lambda的代码引用了静态变量divisor，任何lambda被添加到filters之后，divisor都会递增。通过这个函数，会把许多lambda都添加到filiters里，但每一个lambda的行为都是新的（分别对应新的divisor值）。这个lambda是通过引用捕获divisor，这和默认的按值捕获表示的含义有着直接的矛盾。如果你一开始就避免使用默认的按值捕获模式，你就能解除代码的风险。
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## 建议
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* 默认的按引用捕获可能会导致悬空引用；
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* 默认的按值引用对于悬空指针很敏感（尤其是this指针），并且它会误导人产生lambda是独立的想法；
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@ -48,7 +48,7 @@
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7. Item 29:认识移动操作的缺点
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8. Item 30:熟悉完美转发失败的情况
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6. Lambda表达式
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1. Item 31:避免使用默认捕获模式
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1. [Item 31:避免使用默认捕获模式](https://github.com/kelthuzadx/EffectiveModernCppChinese/blob/master/6.Lambda_Expressions/item31.md)
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2. Item 32:使用初始化捕获来移动对象到闭包中
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3. Item 33:对于std::forward的auto&&形参使用decltype
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4. Item 34:有限考虑lambda表达式而非std::bind
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