Lambda回归自我：这合法吗？

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，我们试图制作一个返回自身的lambda。

• MSVC编译程序，然后运行
• gcc编译程序，并进行段错误
• clang拒绝该程序并显示一条消息：

  error: function 'operator()<(lambda at lam.cpp:6:13)>' with deduced return type cannot be used before it is defined

哪个编译器正确？是否有静态约束违例，UB或都不存在？

更新此轻微修改被clang接受：

  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：我了解如何编写返回自身的函子，或如何使用Y组合器来实现此目的。这更多是一个语言律师问题。

更新3：问题不是 lambda一般返回自身是否合法，而是这种特定方式的合法性。

相关问题：C ++ lambda返回自身。

根据[dcl.spec.auto] / 9，程序格式错误（（右）：

如果表达式中出现具​​有未推导的占位符类型的实体的名称，则程序格式错误。但是，一旦在函数中看到未丢弃的return语句，则从该语句推断出的返回类型可以用于该函数的其余部分，包括其他return语句。

基本上，内部lambda的返回类型的推论取决于自身（此处命名的实体为调用运算符）-因此，您必须显式提供返回类型。在这种情况下，这是不可能的，因为您需要内部lambda的类型，但无法命名。但是在其他情况下，尝试强制执行此类递归lambda可能会起作用。

即使没有这些，您也有悬而未决的参考文献。

在与更聪明的人（例如TC）讨论之后，让我详细说明一下：原始代码（略有减少）和建议的新版本（也有所减少）之间存在重要区别：

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);

那就是内部表达式self(self)不依赖于f1，而是self(self, p)依赖于f2。当表达式是非相关的，它们可用于...热切（[temp.res] / 8，例如，如何static_assert(false)，无论实例化了是否找到实例的模板进行硬错误）。

对于f1，编译器（例如clang）可以尝试实例化此实例。您知道外层lambda的推导类型，一旦您到达上面的;点即可#2（这是内层lambda的类型），但是我们正在尝试早于其使用（在点处考虑#1）-我们正在尝试在我们仍在解析内部lambda时使用它，然后才知道它的实际类型。这违反了dcl.spec.auto/9。

但是，对于f2，我们不能尝试热切实例化，因为它是依赖的。我们只能在使用点实例化，届时我们将掌握一切。

为了真正做到这样，您需要一个y-combinator。从文件中执行：

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));
}

而您想要的是：

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

编辑：关于这种构造是否严格按照C ++规范有效，似乎存在一些争议。普遍认为这是无效的。请参阅其他答案，以进行更彻底的讨论。如果构造有效，则其余答案适用。下面经过调整的代码可与MSVC ++和gcc一起使用，并且OP发布了进一步修改的代码，也可与clang一起使用。

这是未定义的行为，因为内部lambda self通过引用捕获参数，但是在第7行self之后超出范围return。因此，当稍后执行返回的lambda时，它将访问对超出范围的变量的引用。

#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
}

使用来运行程序valgrind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，您可以更改外部lambda以使其通过引用而不是通过值获取自身，从而避免了一堆不必要的复制并解决了以下问题：

#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== 
9
11
47
82
1004

TL; DR;

lang是正确的。

看起来这部分格式不正确的标准部分是[dcl.spec.auto] p9：

如果表达式中出现具​​有未推导的占位符类型的实体的名称，则程序格式错误。但是，一旦在函数中看到未丢弃的return语句，则从该语句推断出的返回类型就可以在该函数的其余部分中使用，包括在其他return语句中。[示例：

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
}

—结束示例]

原创作品

如果我们查看提案“将Y组合器添加到标准库中的提案”，它将提供一个可行的解决方案：

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));
}

它明确表示您的示例是不可能的：

C ++ 11/14 lambda不鼓励递归：无法从lambda函数的主体中引用lambda对象。

它引用了一个讨论区，其中Richard Smith提到clang给您的错误：

我认为作为一流的语言功能会更好。我在科纳之前的会议上没有时间了，但是我打算写一篇论文，让lambda取一个名字（视其自身而定）：

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

在这里，“ fib”与lambda的* this等效（尽管lambda的闭包类型不完整，但有些恼人的特殊规则允许它工作）。

Barry向我指出了后续提案Recursive lambdas，该提案解释了为何无法做到这一点，并且绕开了dcl.spec.auto#9限制条件，并展示了今天没有此限制的方法：

Lambda是本地代码重构的有用工具。但是，有时我们想从自身内部使用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，很难很好地完成这一工作。

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，由于语义上的圆形性，这是不可能的：要在处理lambda表达式之后才推断出auto变量的类型，这意味着lambda表达式无法引用该变量。

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，但是通常会引入抽象代价：std :: function可能会导致内存分配，而lambda的调用通常需要间接调用。

对于零开销的解决方案，通常没有比明确定义本地类类型更好的方法。

似乎c是正确的。考虑一个简化的示例：

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

让我们像编译器一样（有点）来经历它：

• 该类型it是Lambda1一个模板调用操作。
• it(it); 触发呼叫操作员的实例化
• 模板调用运算符的返回类型为auto，因此我们必须推断出它。
• 我们将返回一个lambda来捕获type的第一个参数Lambda1。
• 该lambda也具有一个调用操作符，该操作符返回调用的类型 self(self)
• 注意：self(self)这正是我们开始的目的！

因此，无法推断类型。

好吧，您的代码不起作用。但这确实是：

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

您的代码既是UB代码，又是格式错误的代码，无需诊断。哪个好笑；但两者都可以独立固定。

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self按值取值，然后内部self按引用捕获，然后在outer完成运行后继续将其返回。因此，segfaulting绝对可以。

解决方法：

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

代码保留格式不正确。要看到这一点，我们可以扩展lambda：

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);

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;
};

所以我们接下来必须确定的返回类型 __outer_lambda__::operator()。

我们逐行进行。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-它的返回类型为self(self)，或__outer_lambda__(__outer_lambda__ const&)。但是我们正在尝试推导的返回类型__outer_lambda__::operator()(__outer_lambda__)。

您不允许这样做。

实际上，的返回类型__outer_lambda__::operator()(__outer_lambda__)实际上并不取决于的返回类型__inner_lambda__::operator()(int)，但是C ++在推断返回类型时并不在意；它只是逐行检查代码。

和 self(self)在我们推论之前使用。病态的程序。

我们可以隐藏它，self(self)直到以后再打补丁：

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);
}

现在代码正确并可以编译了。但是我认为这有点骇人听闻。只需使用ycombinator。

根据编译器将为lambda表达式生成的类重写代码非常容易。

完成后，很明显，主要问题只是悬而未决的引用，而不接受代码的编译器在lambda部门中受到了挑战。

重写表明没有循环依赖项。

#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);
}

完全模板化的版本，用于反映原始代码中的内部lambda捕获模板化类型的项目的方式：

#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);
}

我想这就是内部机制中的模板，正式规则是禁止的。如果他们确实禁止使用原始构造。