C++捕获/非捕获lambda与std::function、函数指针的sizeof差异解析

测试代码 #

#include <iostream>
#include <functional>

std::function<int(int)> makeLambda1(int x) {
  return [x] (int y) { return x * y; };
}

auto makeLambda2(int x) {
  return [x] (int y) { return x * y; };
}

auto makeLambda3() {
  return [] (int y) { return 10 * y; };
}

int main() {
  auto lambda1 = makeLambda1(10);
  auto lambda2 = makeLambda2(10);
  auto lambda3 = makeLambda3();
  std::cout << sizeof(lambda1) << " ";
  std::cout << sizeof(lambda2) << " ";
  std::cout << sizeof(lambda3) << " ";
  std::cout << sizeof(int(*)(int)) << std::endl;
}

运行输出 #

32 4 1 8

核心原理说明 #

1. 捕获式lambda体积远小于对应std::function的原因 #

• lambda的本质：编译器会为每段lambda代码生成一个唯一的匿名闭包类，lambda表达式产生的对象就是这个类的实例。类的成员变量完全对应lambda捕获的外部变量，没有冗余结构。本次测试中捕获的是单个int类型变量，刚好占4字节，因此lambda实例的大小就是4字节，没有额外开销。
• std::function的本质：它是支持所有可调用对象（普通函数、lambda、仿函数、成员函数指针等）的通用类型擦除封装器，设计目标是一套接口兼容所有可调用类型，因此必然存在固定的结构开销：
  • 预留固定大小的内部缓冲区，用来直接存储体积较小的可调用对象，避免堆分配开销
  • 存储一组类型擦除的操作函数指针，负责完成内部可调用对象的调用、拷贝、销毁逻辑
  • 维护自身的状态标记，判断内部存储的对象类型
    这些固定结构的体积叠加后，哪怕内部存储的是4字节的小lambda，整个std::function实例的大小也会达到32字节，这是通用适配能力带来的固有体积代价。

2. 非捕获式lambda体积小于普通函数指针的原因 #

• 非捕获式lambda没有任何需要捕获的外部变量，对应的匿名闭包类没有任何成员变量，属于C中的空类。按照C内存规则，空类的大小不能为0——否则无法保证不同类实例的内存地址唯一，因此编译器会给空类自动加上1字节的占位，这就是其大小为1字节的来源。
• 64位系统下的普通函数指针，本身需要存储函数入口的虚拟地址，64位地址长度恰好为8字节，因此同签名的普通函数指针大小为8字节。需要特别注意的是：非捕获lambda本身的1字节只是空类的占位，内部并没有存储函数地址；只有当非捕获lambda被隐式转换为普通函数指针时，才会生成一个8字节的指针值，指向编译器为这个lambda生成的静态函数实体。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者3CEZVQ