C++中lambda表达式中捕获的值变量存在哪？
在 C++ 的 lambda 表达式中，当你在定义 lambda 时使用了捕获列表（capture list）来引入外部作用域的变量时，这些变量实际上是被复制（或者通过引用）到 lambda 表达式内部的一个隐藏的、匿名对象中。这个匿名对象就是 lambda 表达式的“闭包”（closure）。
核心概念：闭包 (Closure)
你需要理解 lambda 表达式不仅仅是一段可执行的代码，它更像是一个对象。当你写下 `[capture_list] (parameters) > return_type { body }` 时，编译器会为你生成一个类，然后根据你的 lambda 定义创建这个类的实例。这个实例就是闭包。
捕获的工作方式：
1. 值捕获 (`[var]`):
当你使用 `[var]` 的方式捕获一个变量时，Lambda 表达式的闭包对象会创建 `var` 的一个副本。
这个副本存储在闭包对象的成员变量中。
在 lambda 表达式的函数体内，你使用的是这个闭包内部的副本，而不是原始的 `var`。
对闭包内副本的修改不会影响到外部作用域的原始 `var`。
例子：
```c++
int x = 10;
auto lambda_val = [x]() {
// x 在这里是外部 x 的一个副本
x = 20; // 修改的是副本，不影响外部的 x
std::cout << "Inside lambda (val): " << x << std::endl;
};
lambda_val(); // 输出: Inside lambda (val): 20
std::cout << "Outside: " << x << std::endl; // 输出: Outside: 10
```
内部细节推测： 编译器可能会生成类似这样的结构：
```c++
// 编译器生成的近似代码
class __lambda_closure_impl_1 {
private:
int captured_x; // 存储捕获的 x 的副本
public:
// 构造函数，用来初始化 captured_x
__lambda_closure_impl_1(int initial_x) : captured_x(initial_x) {}
// () 操作符重载，模拟 lambda 的可调用性
void operator()() const { // 注意，如果 lambda 不修改捕获变量，这里可能是 const
// 这里的 lambda_body_logic 是 lambda 的实际代码
// 模拟 x = 20;
// captured_x = 20; // 这里的 x 就是 captured_x
// std::cout << "Inside lambda (val): " << captured_x << std::endl;
}
};
// ... 在 lambda_val = [x]() {...}; 的地方 ...
// 编译器实际上做了类似的事情：
// __lambda_closure_impl_1 lambda_val(x);
```
2. 引用捕获 (`[&var]`):
当你使用 `[&var]` 的方式捕获一个变量时，Lambda 表达式的闭包对象会存储对外部变量 `var` 的引用。
它不创建副本，而是持有一个指向原始变量的“指针”或“别名”。
在 lambda 表达式的函数体内，你操作的是直接指向原始变量。
对闭包内引用的修改会影响到外部作用域的原始 `var`。
例子：
```c++
int y = 10;
auto lambda_ref = [&y]() {
// y 在这里是对外部 y 的引用
y = 20; // 修改的是外部的 y
std::cout << "Inside lambda (ref): " << y << std::endl;
};
lambda_ref(); // 输出: Inside lambda (ref): 20
std::cout << "Outside: " << y << std::endl; // 输出: Outside: 20
```
内部细节推测：
```c++
// 编译器生成的近似代码
class __lambda_closure_impl_2 {
private:
int& captured_y; // 存储捕获的 y 的引用
public:
// 构造函数，用来初始化 captured_y
__lambda_closure_impl_2(int& initial_y) : captured_y(initial_y) {}
// () 操作符重载
void operator()() { // 注意，这里不能是 const，因为可能修改 captured_y
// 模拟 y = 20;
// captured_y = 20; // 这里的 captured_y 是对外部 y 的引用
// std::cout << "Inside lambda (ref): " << captured_y << std::endl;
}
};
// ... 在 lambda_ref = [&y]() {...}; 的地方 ...
// 编译器实际上做了类似的事情：
// __lambda_closure_impl_2 lambda_ref(y);
```
3. 默认值捕获 (`[=]` 和 `[&]`):
`[=]`：捕获当前作用域中所有需要被 lambda 体使用的自动变量（auto variables），捕获方式是值拷贝。
`[&]`：捕获当前作用域中所有需要被 lambda 体使用的自动变量，捕获方式是引用。
重要提示： 默认值捕获并不会捕获所有外部变量，只捕获 lambda 体内部实际用到的。
例子：
```c++
int a = 5;
int b = 15;
auto lambda_default_val = [=]() {
// 捕获了 a 的副本，b 的副本
std::cout << "Default val lambda: a=" << a << ", b=" << b << std::endl;
// a = 10; // 尝试修改副本，如果 lambda 体不是 const 那么可以，但不会影响外部
};
auto lambda_default_ref = [&]() {
// 捕获了对 a 的引用，对 b 的引用
a = 10; // 修改外部的 a
b = 20; // 修改外部的 b
std::cout << "Default ref lambda: a=" << a << ", b=" << b << std::endl;
};
lambda_default_val(); // 输出: Default val lambda: a=5, b=15
lambda_default_ref(); // 输出: Default ref lambda: a=10, b=20
std::cout << "Outside: a=" << a << ", b=" << b << std::endl; // 输出: Outside: a=10, b=20
```
4. 推广捕获 (C++14 及以上)
允许你捕获一个表达式的结果，并为这个结果命名。这实际上是在闭包内部创建了一个新的成员变量，并用表达式的结果来初始化它。
例子：
```c++
int z = 100;
auto lambda_promote = [val_z = z 2, ref_z = std::ref(z)]() {
// val_z 是 z2 的一个副本 (200)
// ref_z 是一个 std::reference_wrapper，指向外部的 z
std::cout << "Promote: val_z=" << val_z << ", ref_z=" << ref_z << std::endl;
ref_z.get() = 50; // 通过 reference_wrapper 修改外部的 z
};
lambda_promote(); // 输出: Promote: val_z=200, ref_z=100
std::cout << "Outside: z=" << z << std::endl; // 输出: Outside: z=50
```
内部细节推测：
```c++
// 编译器生成的近似代码
class __lambda_closure_impl_3 {
private:
int captured_val_z;
int& captured_ref_z; // 或者 std::reference_wrapper
public:
__lambda_closure_impl_3(int z_val) :
captured_val_z(z_val 2),
captured_ref_z(z_val) // 假设 z_val 是外部 z 的引用
{}
void operator()() {
// std::cout << "Promote: val_z=" << captured_val_z << ", ref_z=" << captured_ref_z << std::endl;
// captured_ref_z = 50;
}
};
// ... 在 lambda_promote = [val_z = z 2, ref_z = std::ref(z)]() {...}; 的地方 ...
// 编译器实际上做了类似的事情，但需要处理 z 的作用域和类型
```
总结变量存储位置：
值捕获 (`[var]`): 变量的副本存储在 lambda 闭包对象的私有（通常是）成员变量中。
引用捕获 (`[&var]`): 对原始变量的引用（或者 `std::reference_wrapper`）存储在 lambda 闭包对象的私有（通常是）成员变量中。
默认捕获 (`[=]` 或 `[&]`): 类似于显式捕获，根据是 `[=]` 还是 `[&]`，会将所有用到的外部自动变量以副本或引用的形式存储在闭包对象的成员变量中。
推广捕获 (`[new_name = expression]`): `expression` 的计算结果，以 `new_name` 的形式，作为一个新的成员变量存储在闭包对象中。
为什么这样设计？
1. 独立性（值捕获）: 闭包捕获的值是独立的副本，即使外部变量在 lambda 调用之前或之后发生改变，lambda 内部使用的值也不会受到影响。这提供了更好的确定性和避免了意料之外的副作用。
2. 灵活性（引用捕获）: 允许 lambda 访问和修改外部变量，实现更紧密的交互。
3. 封装: Lambda 表达式的实现细节（包括它捕获的变量）被封装在一个匿名对象中，这使得 lambda 成为一个自包含的代码单元。
4. 生命周期管理: 当 lambda 捕获的值是对象时，闭包对象的生命周期决定了这些捕获的对象的生命周期。如果 lambda 的生命周期比被捕获的局部变量长（例如，将 lambda 传递给一个异步操作），并且你通过值捕获了局部变量，那么 lambda 内部的副本会独立存在，不会因为局部变量的销毁而失效。反之，如果通过引用捕获了一个局部变量，而 lambda 的生命周期超出了该局部变量的作用域，那么引用就会变成悬空引用，调用 lambda 将导致未定义行为。
理解 lambda 是一种函数对象（closure），并且捕获的变量成为这个对象成员变量的关键，就能很好地理解这些变量的存储位置和行为。
核心概念：闭包 (Closure)
你需要理解 lambda 表达式不仅仅是一段可执行的代码，它更像是一个对象。当你写下 `[capture_list] (parameters) > return_type { body }` 时，编译器会为你生成一个类，然后根据你的 lambda 定义创建这个类的实例。这个实例就是闭包。
捕获的工作方式：
1. 值捕获 (`[var]`):
当你使用 `[var]` 的方式捕获一个变量时，Lambda 表达式的闭包对象会创建 `var` 的一个副本。
这个副本存储在闭包对象的成员变量中。
在 lambda 表达式的函数体内，你使用的是这个闭包内部的副本，而不是原始的 `var`。
对闭包内副本的修改不会影响到外部作用域的原始 `var`。
例子：
```c++
int x = 10;
auto lambda_val = [x]() {
// x 在这里是外部 x 的一个副本
x = 20; // 修改的是副本，不影响外部的 x
std::cout << "Inside lambda (val): " << x << std::endl;
};
lambda_val(); // 输出: Inside lambda (val): 20
std::cout << "Outside: " << x << std::endl; // 输出: Outside: 10
```
内部细节推测： 编译器可能会生成类似这样的结构：
```c++
// 编译器生成的近似代码
class __lambda_closure_impl_1 {
private:
int captured_x; // 存储捕获的 x 的副本
public:
// 构造函数，用来初始化 captured_x
__lambda_closure_impl_1(int initial_x) : captured_x(initial_x) {}
// () 操作符重载，模拟 lambda 的可调用性
void operator()() const { // 注意，如果 lambda 不修改捕获变量，这里可能是 const
// 这里的 lambda_body_logic 是 lambda 的实际代码
// 模拟 x = 20;
// captured_x = 20; // 这里的 x 就是 captured_x
// std::cout << "Inside lambda (val): " << captured_x << std::endl;
}
};
// ... 在 lambda_val = [x]() {...}; 的地方 ...
// 编译器实际上做了类似的事情：
// __lambda_closure_impl_1 lambda_val(x);
```
2. 引用捕获 (`[&var]`):
当你使用 `[&var]` 的方式捕获一个变量时，Lambda 表达式的闭包对象会存储对外部变量 `var` 的引用。
它不创建副本，而是持有一个指向原始变量的“指针”或“别名”。
在 lambda 表达式的函数体内，你操作的是直接指向原始变量。
对闭包内引用的修改会影响到外部作用域的原始 `var`。
例子：
```c++
int y = 10;
auto lambda_ref = [&y]() {
// y 在这里是对外部 y 的引用
y = 20; // 修改的是外部的 y
std::cout << "Inside lambda (ref): " << y << std::endl;
};
lambda_ref(); // 输出: Inside lambda (ref): 20
std::cout << "Outside: " << y << std::endl; // 输出: Outside: 20
```
内部细节推测：
```c++
// 编译器生成的近似代码
class __lambda_closure_impl_2 {
private:
int& captured_y; // 存储捕获的 y 的引用
public:
// 构造函数，用来初始化 captured_y
__lambda_closure_impl_2(int& initial_y) : captured_y(initial_y) {}
// () 操作符重载
void operator()() { // 注意，这里不能是 const，因为可能修改 captured_y
// 模拟 y = 20;
// captured_y = 20; // 这里的 captured_y 是对外部 y 的引用
// std::cout << "Inside lambda (ref): " << captured_y << std::endl;
}
};
// ... 在 lambda_ref = [&y]() {...}; 的地方 ...
// 编译器实际上做了类似的事情：
// __lambda_closure_impl_2 lambda_ref(y);
```
3. 默认值捕获 (`[=]` 和 `[&]`):
`[=]`：捕获当前作用域中所有需要被 lambda 体使用的自动变量（auto variables），捕获方式是值拷贝。
`[&]`：捕获当前作用域中所有需要被 lambda 体使用的自动变量，捕获方式是引用。
重要提示： 默认值捕获并不会捕获所有外部变量，只捕获 lambda 体内部实际用到的。
例子：
```c++
int a = 5;
int b = 15;
auto lambda_default_val = [=]() {
// 捕获了 a 的副本，b 的副本
std::cout << "Default val lambda: a=" << a << ", b=" << b << std::endl;
// a = 10; // 尝试修改副本，如果 lambda 体不是 const 那么可以，但不会影响外部
};
auto lambda_default_ref = [&]() {
// 捕获了对 a 的引用，对 b 的引用
a = 10; // 修改外部的 a
b = 20; // 修改外部的 b
std::cout << "Default ref lambda: a=" << a << ", b=" << b << std::endl;
};
lambda_default_val(); // 输出: Default val lambda: a=5, b=15
lambda_default_ref(); // 输出: Default ref lambda: a=10, b=20
std::cout << "Outside: a=" << a << ", b=" << b << std::endl; // 输出: Outside: a=10, b=20
```
4. 推广捕获 (C++14 及以上)
允许你捕获一个表达式的结果，并为这个结果命名。这实际上是在闭包内部创建了一个新的成员变量，并用表达式的结果来初始化它。
例子：
```c++
int z = 100;
auto lambda_promote = [val_z = z 2, ref_z = std::ref(z)]() {
// val_z 是 z2 的一个副本 (200)
// ref_z 是一个 std::reference_wrapper，指向外部的 z
std::cout << "Promote: val_z=" << val_z << ", ref_z=" << ref_z << std::endl;
ref_z.get() = 50; // 通过 reference_wrapper 修改外部的 z
};
lambda_promote(); // 输出: Promote: val_z=200, ref_z=100
std::cout << "Outside: z=" << z << std::endl; // 输出: Outside: z=50
```
内部细节推测：
```c++
// 编译器生成的近似代码
class __lambda_closure_impl_3 {
private:
int captured_val_z;
int& captured_ref_z; // 或者 std::reference_wrapper
public:
__lambda_closure_impl_3(int z_val) :
captured_val_z(z_val 2),
captured_ref_z(z_val) // 假设 z_val 是外部 z 的引用
{}
void operator()() {
// std::cout << "Promote: val_z=" << captured_val_z << ", ref_z=" << captured_ref_z << std::endl;
// captured_ref_z = 50;
}
};
// ... 在 lambda_promote = [val_z = z 2, ref_z = std::ref(z)]() {...}; 的地方 ...
// 编译器实际上做了类似的事情，但需要处理 z 的作用域和类型
```
总结变量存储位置：
值捕获 (`[var]`): 变量的副本存储在 lambda 闭包对象的私有（通常是）成员变量中。
引用捕获 (`[&var]`): 对原始变量的引用（或者 `std::reference_wrapper`）存储在 lambda 闭包对象的私有（通常是）成员变量中。
默认捕获 (`[=]` 或 `[&]`): 类似于显式捕获，根据是 `[=]` 还是 `[&]`，会将所有用到的外部自动变量以副本或引用的形式存储在闭包对象的成员变量中。
推广捕获 (`[new_name = expression]`): `expression` 的计算结果，以 `new_name` 的形式，作为一个新的成员变量存储在闭包对象中。
为什么这样设计？
1. 独立性（值捕获）: 闭包捕获的值是独立的副本，即使外部变量在 lambda 调用之前或之后发生改变，lambda 内部使用的值也不会受到影响。这提供了更好的确定性和避免了意料之外的副作用。
2. 灵活性（引用捕获）: 允许 lambda 访问和修改外部变量，实现更紧密的交互。
3. 封装: Lambda 表达式的实现细节（包括它捕获的变量）被封装在一个匿名对象中，这使得 lambda 成为一个自包含的代码单元。
4. 生命周期管理: 当 lambda 捕获的值是对象时，闭包对象的生命周期决定了这些捕获的对象的生命周期。如果 lambda 的生命周期比被捕获的局部变量长（例如，将 lambda 传递给一个异步操作），并且你通过值捕获了局部变量，那么 lambda 内部的副本会独立存在，不会因为局部变量的销毁而失效。反之，如果通过引用捕获了一个局部变量，而 lambda 的生命周期超出了该局部变量的作用域，那么引用就会变成悬空引用，调用 lambda 将导致未定义行为。
理解 lambda 是一种函数对象（closure），并且捕获的变量成为这个对象成员变量的关键，就能很好地理解这些变量的存储位置和行为。
网友意见
简单回答：lambda函数使用[=]捕捉，此时复制局部变量x并创建了一个新的变量。
返回的引用是基于那个新变量的引用。至于变量在哪里？变量就在 func 里。这个新变量跟随主函数内声明的auto func，因此可以持续使用。
如果把这里的捕捉声明改成 [&]，这就会变成一个错误实现的函数。而你现在看见的这个版本反而是正确的。
欲知相关知识点，请学习C++函数的捕捉声明块 [ ] 相关语法。
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