C++ 编译器内联函数局部 lambda 的效率如何？

Question

背景

作为一种组织策略，我喜欢在复杂的函数中定义函数局部 lambda。它适用于封装多步逻辑、重复操作等（一般来说，函数适用的类型），但不会创建在使用范围之外可见的东西。这是约翰卡马克在他的关于内联代码优点的文章中阐述的风格的综合/替代品，因为它使所有东西都整齐地封装在它打算使用的函数中，同时还提供了一个（编译器识别的）名称来记录每个功能块。一个简单的、人为的例子可能看起来像这样（假设这里实际上发生了一些足够复杂的事情，值得使用这种风格）：

void printSomeNumbers(void)
{
  const auto printNumber = [](auto number) {
    std::cout << number << std::endl; // Non-trivial logic (maybe formatting) would go here
  };

  printNumber(1);
  printNumber(2.0);
}

从语义上讲，这个函数的编译形式“应该”创建一个隐式定义的函子的实例，然后operator()()为每个提供的输入调用该函子，因为这就是在 C++ 中使用 lambda 的含义。然而，在优化的构建中，as-if 规则释放了编译器来内联一些东西，这意味着实际生成的代码可能只是内联 lambda 的内容并完全跳过定义/实例化函子。关于这种内联的讨论已经出现在过去的讨论中，这里和这里，以及其他地方。

题

在我找到的所有 lambda 内联问题和答案中，所提供的示例没有使用任何形式的lambda 捕获，而且它们在很大程度上也与将 lambda 作为参数传递给某物有关（即在std::for_each调用的上下文）。那么，我的问题是：编译器是否仍然可以内联捕获值的 lambda？更具体地说（因为我假设各种变量的生命周期在很大程度上影响了答案），编译器是否可以合理地内联一个仅在定义它的函数内部使用的 lambda，即使它捕获了一些东西（即局部变量）通过引用？

我的直觉是，内联应该是可能的，因为编译器可以完全了解所有代码和相关变量（包括它们相对于 lambda 的生命周期），但我并不乐观，我的汇编阅读技能也不是t 足够多地为我自己得到一个可靠的答案。

附加示例

以防万一我描述的特定用例不是很清楚，这里是上面 lambda 的一个修改版本，它利用了我描述的那种模式（再次，请忽略代码是人为的这一事实并且不必要地过于复杂）：

void printSomeNumbers(void)
{
  std::ostringstream ss;
  const auto appendNumber = [&ss](auto number) {
    ss << number << std::endl; // Pretend this is something non-trivial
  };

  appendNumber(1);
  appendNumber(2.0);

  std::cout << ss.str();
}

我希望优化编译器应该有足够的信息来完全内联所有 lambda 用法，并且不会在此处生成（或至少不保留）任何函子，即使它正在使用“应该”捕获的引用变量被视为某种自动生成的闭包类型的成员。

Answer 1

是的。

现代编译器使用“静态单赋值”（SSA）作为优化过程。

每次分配或修改一个值时，都会创建一个概念上不同的值。有时，这些概念上不同的值共享同一性（出于指针的目的）。

当你获取某物的地址时，身份就是阻碍这一点的因素。

简单引用被转换为它们引用的值的别名；他们没有身份。这是引用的原始设计意图的一部分，也是为什么你不能拥有指向引用的指针。

具体来说：

std::string printSomeNumbers(void)
{
  std::ostringstream ss;
  const auto appendNumber = [&ss](auto number) {
    ss << number << "\n"; // Pretend this is something non-trivial
  };

  printf("hello\n");
  appendNumber(1);
  printf("world\n");
  appendNumber(2.0);
  printf("today\n");

  return ss.str();
}

编译为：

printSomeNumbers[abi:cxx11]():           # @printSomeNumbers[abi:cxx11]()
        push    r14
        push    rbx
        sub     rsp, 376
        mov     r14, rdi
        mov     rbx, rsp
        mov     rdi, rbx
        mov     esi, 16
        call    std::__cxx11::basic_ostringstream<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::basic_ostringstream(std::_Ios_Openmode)
        mov     edi, offset .Lstr
        call    puts
        mov     rdi, rbx
        mov     esi, 1
        call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
        mov     esi, offset .L.str.3
        mov     edx, 1
        mov     rdi, rax
        call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
        mov     edi, offset .Lstr.8
        call    puts
        mov     rdi, rsp
        movsd   xmm0, qword ptr [rip + .LCPI0_0] # xmm0 = mem[0],zero
        call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::_M_insert<double>(double)
        mov     esi, offset .L.str.3
        mov     edx, 1
        mov     rdi, rax
        call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::__ostream_insert<char, std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*, long)
        mov     edi, offset .Lstr.9
        call    puts
        lea     rsi, [rsp + 8]
        mov     rdi, r14
        call    std::__cxx11::basic_stringbuf<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >::str() const
        mov     rax, qword ptr [rip + VTT for std::__cxx11::basic_ostringstream<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >]
        mov     qword ptr [rsp], rax
        mov     rcx, qword ptr [rip + VTT for std::__cxx11::basic_ostringstream<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >+24]
        mov     rax, qword ptr [rax - 24]
        mov     qword ptr [rsp + rax], rcx
        mov     qword ptr [rsp + 8], offset vtable for std::__cxx11::basic_stringbuf<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >+16
        mov     rdi, qword ptr [rsp + 80]
        lea     rax, [rsp + 96]
        cmp     rdi, rax
        je      .LBB0_7
        call    operator delete(void*)
.LBB0_7:
        mov     qword ptr [rsp + 8], offset vtable for std::basic_streambuf<char, std::char_traits<char> >+16
        lea     rdi, [rsp + 64]
        call    std::locale::~locale() [complete object destructor]
        lea     rdi, [rsp + 112]
        call    std::ios_base::~ios_base() [base object destructor]
        mov     rax, r14
        add     rsp, 376
        pop     rbx
        pop     r14
        ret

神箭

请注意，在 printf 调用之间（在程序集中它们是），除了直接调用aputs之外，没有其他调用。operator<<ostringstream