掌握C++回调:按值捕获、按引用捕获与弱引用

文章目录

    • 一、按引用捕获和按值捕获
      • 1.1 原理
      • 1.2 案例
    • 二、弱引用
      • 2.1 原理
      • 2.2 案例一
      • 2.3 案例二:使用`base`库的弱引用
    • 三、总结

在C++回调中,当使用Lambda表达式捕获外部变量时,有两种捕获方式:按值捕获和按引用捕获。

一、按引用捕获和按值捕获

1.1 原理

  • 按引用捕获是将外部变量的引用存储在Lambda表达式的闭包中,[&] 表示按引用捕获所有外部变量。这样,当Lambda表达式执行时,它将直接访问原始变量。这种方式在某些情况下可能导致问题,例如,当回调执行时,原始变量已经失效(例如,原始变量是栈上的局部变量,而回调在该变量离开作用域后执行)。

  • 按值捕获是将外部变量的值复制到Lambda表达式的闭包中。这样,当Lambda表达式执行时,它将使用这个复制的值,而不是原始变量的值。这种方式可以避免在回调执行时,原始变量已经失效的问题。

1.2 案例

原理虽然很简单,但是当我们处于复杂的业务代码中时,仍然不免会写出bug。下面是笔者遇到的一个真实案例:

    std::string WebProxyKeysHelper::GetAuthCode(std::string &st_or_code, std::string &last_key) {...auto ph = (st_or_code == KEY_TYPE_OF_ST_STR ? RefreshProxySt() : RefreshOauthCode());auto prom_ptr = std::make_shared<std::promise<std::string>>();std::future<std::string> fut_pb = prom_ptr->get_future();ph.then([&, prom_ptr](bool ret) {std::string tmp_key = "";if (ret) {tmp_key = st_or_code == KEY_TYPE_OF_ST_STR ? proxy_st_ : oauth_code_;UpdateKeys(st_or_code, tmp_key);Schedule();}prom_ptr->set_value(tmp_key);}).onError([&, prom_ptr](const std::exception& ex){prom_ptr->set_value("");});}...return current_key;}

在上述代码中,WebProxyKeysHelper::GetAuthCode 函数通过异步操作 ph 获取代理密钥。然后,根据异步操作的结果,回调函数更新密钥并设置 prom_ptr 的值。然而,这段代码存在一个潜在的问题,即在回调函数中使用了按引用捕获的 st_or_code 变量。

问题在于,当 ph.then([&, prom_ptr](bool ret) { ... }) 回调执行时,st_or_code 变量可能已经离开了作用域并被销毁。这会导致程序偶现闪退,也可能导致数值异常,最终表现为业务逻辑异常,因为回调函数试图访问一个已经失效的栈变量。

修改的方式是,将 st_or_code 变量改为按值捕获。这样,在回调执行时,即使原始的 st_or_code 变量离开了作用域,回调中仍然可以安全地使用其复制的值。下面是修正后的代码:

    std::string WebProxyKeysHelper::GetAuthCode(std::string &st_or_code, std::string &last_key) {...auto ph = (st_or_code == KEY_TYPE_OF_ST_STR ? RefreshProxySt() : RefreshOauthCode());auto prom_ptr = std::make_shared<std::promise<std::string>>();std::future<std::string> fut_pb = prom_ptr->get_future();ph.then([&, st_or_code, prom_ptr](bool ret) { // 注意这里改为按值捕获 st_or_codestd::string tmp_key = "";if (ret) {tmp_key = st_or_code == KEY_TYPE_OF_ST_STR ? proxy_st_ : oauth_code_;UpdateKeys(st_or_code, tmp_key);Schedule();}prom_ptr->set_value(tmp_key);}).onError([&, prom_ptr](const std::exception& ex){prom_ptr->set_value("");});}...return current_key;
}

二、弱引用

2.1 原理

弱引用(Weak Reference)是一种特殊的引用类型,它不会阻止其所引用的对象被垃圾回收。这在处理回调和长时间运行的任务时非常有用,因为它可以避免因为回调导致的潜在内存泄漏。

2.2 案例一

错误的写法:

class Foo {
public:void start() {std::thread t([this]() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));this->doSomething();  // Undefined behavior if `this` is destroyed!});t.detach();}void doSomething() {std::cout << "Doing something..." << std::endl;}
};

在上述代码中,我们在新线程中访问了this指针。然而,如果新线程开始执行时,this指针所指向的对象已经被销毁,这将导致未定义的行为。

正确的写法:

class Foo : public std::enable_shared_from_this<Foo> {
public:void start() {std::thread t([weak_this = std::weak_ptr<Foo>(shared_from_this())]() {if (auto shared_this = weak_this.lock()) {shared_this->doSomething();  // 安全,只要 `this` 没有被销毁}});t.detach();}void doSomething() {std::cout << "Doing something..." << std::endl;}
};

在修正的代码中,我们使用了弱引用来捕获this指针。这样,即使原始对象被销毁,新线程中也不会访问到无效的this指针。

2.3 案例二:使用base库的弱引用

base::BindLambda(base::AsWeakPtr(this), [&] { ... }) 使用了弱引用。这里,base::AsWeakPtr(this)this指针转换为弱引用,并将其传递给Lambda表达式。这样,在回调执行时,如果this指针所指向的对象已经被销毁,回调将不会执行,从而避免了潜在的内存泄漏问题。

下面是执行CGI任务时的回调写法。当CGI网络请求回来时,所在的Service类可能已经被析构,所以需要使用base::AsWeakPtr(this)this指针转换为弱引用:

task->SetCallback(base::BindLambda(base::AsWeakPtr(this), [=](network::ProtocolErrorCode pec, const CRTX_WWK::BatchSetLeaderRsp& resp) {LogicErrorCode code = (pec == network::PEC_OK && task->response_head()->errcode() == 0) ? LEC_OK : LEC_ERROR;if(code == LEC_OK) {...}if (!callback.is_null()) callback.Run(code);
})); 
ScheduleTask(task.get());

大家可能已经注意到,上面的Lamda回调中,我们不需要再额外判断this是否已经被析构,因为base库已经替我们提前判断好再回调:

/*** @brief BindLambda 函数实现了便捷的通过 C++ Lambda 表达式来创建 base::Callback 的方法。* 这个重载允许额外传入一个 base::WeakPtr 类型的弱引用,在实际执行 functor 前会检查弱引用的有效性,如果弱引用已经无效,则不会执行 functor。** @param weakptr 额外传递一个弱引用,在 functor 执行前会进行检查,如果该弱引用无效则不会继续调用 functor* @param functor C++ Lambda 表达式* @param params 需要绑定在 Lambda 表达式上的参数** @note 可根据实际情况,选择使用捕获或者绑定的方式传递参数。*/
template <typename SupportWeakPtrType, typename Functor, typename ...Params>
auto BindLambda(const WeakPtr<SupportWeakPtrType>& weakptr, const Functor& functor, const Params&... params) -> decltype(BindLambda(functor, params...)) {return _WrapWeakCallback(BindLambda(functor, params...), weakptr);
}template <typename SupportWeakPtrType, typename RetType, typename ...Params>
base::Callback<RetType(Params...)> _WrapWeakCallback(const base::Callback<RetType(Params...)>& callback, const WeakPtr<SupportWeakPtrType>& weakptr) {return base::Bind(&_RunWeakCallbackInternalRet<SupportWeakPtrType, RetType, Params...>, weakptr, callback);
}template <typename SupportWeakPtrType, typename RetType, typename ...Params>
RetType _RunWeakCallbackInternalRet(const WeakPtr<SupportWeakPtrType>& weakptr, const base::Callback<RetType(Params...)>& callback, Params... params) {if (weakptr.get()) {return callback.Run(params...);}return RetType();
}
  1. BindLambda 函数接受一个弱引用(weakptr)、一个Lambda表达式(functor)和一些参数(params)。它将创建一个回调函数,该回调在执行前会检查弱引用的有效性。如果弱引用无效,则不会执行Lambda表达式。

  2. _WrapWeakCallback 函数接受一个回调函数(callback)和一个弱引用(weakptr)。它将创建一个新的回调函数,该回调函数在调用之前会检查弱引用的有效性。

  3. _RunWeakCallbackInternalRet 函数在弱引用有效时执行回调函数(callback),否则返回默认值。这个函数实际上是在执行回调之前检查弱引用的有效性的地方。

三、总结

在C++回调中,我们需要根据具体情况选择合适的捕获方式(按值捕获、按引用捕获或弱引用)。在处理回调和长时间运行的任务时,为了避免内存泄漏和访问无效变量的问题,我们通常需要使用按值捕获和弱引用。

最后我们总结一下本文:

类型原理注意事项
按值捕获将外部变量的值复制到Lambda表达式的闭包中,使得Lambda表达式在执行时使用的是复制的值,而不是原始变量的值。如果捕获的变量在Lambda表达式执行时已经离开了作用域,那么按值捕获就是安全的,因为Lambda表达式中使用的是变量的副本。
按引用捕获将外部变量的引用存储在Lambda表达式的闭包中,使得Lambda表达式在执行时直接访问的是原始变量。如果捕获的变量在Lambda表达式执行时已经离开了作用域,那么按引用捕获就可能导致未定义的行为。因此,使用按引用捕获时,需要确保捕获的变量在Lambda表达式执行时仍然有效。
弱引用弱引用是一种特殊的引用类型,它不会阻止其所引用的对象被垃圾回收。这在处理回调和长时间运行的任务时非常有用,因为它可以避免因为回调导致的潜在内存泄漏。如果弱引用所引用的对象在回调执行时已经被销毁,那么回调将不会执行,从而避免了潜在的内存泄漏问题。因此,使用弱引用时,需要确保在回调执行时,弱引用所引用的对象仍然存在。

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