C++11新特性中的匿名函数Lambda表达式的汇编实现分析(一)

  1. 云栖社区>
  2. 博客>
  3. 正文

C++11新特性中的匿名函数Lambda表达式的汇编实现分析(一)

青衫无名 2017-06-02 11:24:00 浏览1054
展开阅读全文

Constructs a closure: an unnamed function object capable of capturing variables in scope.

—— Lambda functions (since C++11) [cppreference.com]

按照C++11标准的说法,lambda表达式的标准格式如下:

[ capture ]( params ) mutable exception attribute -> ret { body } 
// (1) 完整的声明

[ capture ]( params ) -> ret { body }  
//(2) 一个常lambda的声明:按副本捕获的对象不能被修改。

[ capture ]( params ) { body } 
// (3) 省略后缀返回值类型:闭包的operator()的返回值类型是根据以下规则推导出的:如果body仅包含单一的return语句,那么返回值类型是返回表达式的类型(在此隐式转换之后的类型:右值到左值、数组与指针、函数到指针)否则,返回类型是void

[ capture ] { body }  
//(4) 省略参数列表:函数没有参数,即参数列表是()
    capture  -  指定哪些在函数声明处的作用域中可见的符号将在函数体内可见
。```  


    符号表可按如下规则传入:

    [a,&b],按值捕获a,并按引用捕获b

    [this],按值捕获了this指针

    [&] 按引用捕获在lambda表达式所在函数的函数体中提及的全部自动储存持续性变量

    [=] 按值捕获在lambda表达式所在函数的函数体中提及的全部自动储存持续性变量

    [] 什么也没有捕获

    params  -  参数列表,与命名函数一样

    ret  -  返回值类型。如果不存在,它由该函数的return语句来隐式决定(或者是void,例如当它不返回任何值的时候)

    body  -  函数体

下面,我将从最简单的形式开始逐步对各种形式的lambda表达式进行汇编分析。

首先是最简单的类型(4):

和普通表达式一样,若单纯的一个表达式将被编译器忽略,这里将lambda表达式赋值给一个栈变量进行分析。

int main()
{

auto lambda = []{ };

return 0;

}

IntelliSense显示这里的lambda变量其实是一个 void lambda(),编译后被解析是main::__l3::void<lambda>(void)类型,debug查看汇编代码,发现本句并没有在main函数里产生任何汇编代码,但并不代表这个表达式没有意义,

...省略...

auto lambda = []{ };

return 0;
    xor         eax,eax  

}
...省略...

若使用sizeof(lambda)计算其所占字节数将得到1,稍微在main代码上面一点,可以发现[]{}是作为一个函数被编译:

push ebp
mov ebp,esp
sub esp,0CCh
push ebx
push esi
push edi
push ecx
lea edi,[ebp-0CCh]
mov ecx,33h
mov eax,0CCCCCCCCh
rep stos dword ptr es:[edi]

pop ecx
mov dword ptr [this],ecx
pop edi
pop esi
pop ebx
mov esp,ebp
pop ebp
ret
int 3
int 3

可见,就像普通函数一样,[]{}表达式内部被编译为一个函数,该函数内有一个this指针作为栈变量,它指向调用函数时的寄存器ecx。

下面我们执行这个lambda表达式,进入闭包内部分析,同时,为了好说明,在函数内增加一条赋值语句。

int main()
{

auto lambda = []{
    int s = 0xA;
};
lambda();
return 0;

}
对应有汇编代码:

auto lambda = []{

    int s = 0xA;
};
lambda();

lea ecx,[ebp-5]
call 001E1570

return 0;
可以看到,有一个地址传送,[ebp-5]的地址送给ecx,然后直接调用闭包函数。

[ebp-5]是main的一个栈变量,占用4字节,他的值没有被初始化,debug版本默认是(0xcccccccc)。

将其地址&[ebp-5]送入ecx究竟有什么含义,不妨先进入闭包函数内部看看:

push ebp
mov ebp,esp
sub esp,0D8h
push ebx
push esi
push edi
push ecx
lea edi,[ebp+FFFFFF28h]
mov ecx,36h
mov eax,0CCCCCCCCh
rep stos dword ptr es:[edi]
pop ecx
mov dword ptr [ebp-8],ecx

    int s = 0xA;

mov dword ptr [ebp-14h],0Ah

};

pop edi
pop esi
pop ebx
mov esp,ebp
pop ebp
ret

可见,刚才的ecx被push保存,然后又在函数初始化栈完成后(rep stos后),被弹出并写入局部变量[ebp-8]中,而这个[ebp-8]其实就是上面说到的this指针。也就是说,这个this指针指向main中的一个局部变量。

那么,为了进一步研究这个机制,我们设法让这个闭包使用this。不妨猜想一下,this既然是指向main里面的变量,那么他可能是一个base address用来“捕获”(lambda中的概念)闭包外层作用域内的某些变量。“捕获”方式在上面有说到,若将上面的[]改为[=],让lambda按值捕获main中的int变量s,再看看有什么变化:

int main()
{

int a = 0xB;
auto lambda = [=]{
    int s = a;
};
lambda();
return 0;

}

闭包内对应汇编代码:

pop ecx
mov dword ptr [ebp-8],ecx

    int s = a;

mov eax,dword ptr [ebp-8]
mov ecx,dword ptr [eax]
mov dword ptr [ebp-14h],ecx

};
同样的,先放置this指针,然后下面比较关键:

1.把this临时放到eax

2.然后再取eax地址对应的值放到临时ecx寄存器中,这里就是a

3.然后赋值给[ebp-14h]就是s

那么绕了半天做了什么事,其实就是相当于下面的代码:

![image](https://yqfile.alicdn.com/b5627b467f9a63f16227789879196e389c9af88c.png)


那么这个this确实是指向了main里面的a,如何办到的?

查看main栈内存发现,传给闭包的this是指向下图中选中部分,而红框中是变量a:



可见,a在main的栈空间被复制了一次,而不是闭包的栈空间,那么复制发生在哪个时候,为什么this恰好就指向了a的副本?

再调用闭包函数之前,还做了一些事情:

int a = 0xB;
mov dword ptr [ebp-8],0Bh

auto lambda = [=]{
    int s = a;
};

lea eax,[ebp-8]
push eax
lea ecx,[ebp-14h]
call 010E1BE0

lambda();

lea ecx,[ebp-14h]
call 010E1C20

return 0;
发现还call了一个带参函数:

1.将a的地址送入eax并压栈,相当于给下面的函数传参&a

2.将给后面闭包用的this保存在ecx中,可能会给下面的一个call使用

上面的操作相当于下面的伪代码:

call 010E1BE0(  &a , this); //当然,this并不是作为参数传入的,这里只是方便理解

可以预见,010E1BE0函数的作用应该是拷贝a,并让this指向a,空口无凭,进去看看:

push ebp
mov ebp,esp
sub esp,0CCh
push ebx
push esi
push edi
push ecx
lea edi,[ebp+FFFFFF34h]
mov ecx,33h
mov eax,0CCCCCCCCh
rep stos dword ptr es:[edi]

pop ecx
mov dword ptr [ebp-8],ecx
mov eax,dword ptr [ebp-8]
mov ecx,dword ptr [ebp+8]
mov edx,dword ptr [ecx]
mov dword ptr [eax],edx
mov eax,dword ptr [ebp-8]

pop edi
pop esi
pop ebx
mov esp,ebp
pop ebp
ret 4

前后的代码按部就班,主要是中间:

1.ecx是this不用说了。

2.先把this保存到该函数的栈空间再说

3.this放进eax,预见下面的[eax]就是*this,和上面说到的一样

4.然后是[ebp+8]这块,送给ecx临时保存,然后取值,送入edx临时保存,可见[ebp+8]里面应该是一个地址

5.edx送给*this

6.最后那个mov eax,[ebp-8] ,又把this作为返回值

关于[ebp+8]:还记得传入该函数的参数&a吗?没错,[ebp+8]保存的是就是&a。

简单翻译一下这个函数的意思:

fun(&a,this);

int fun(int in,int* this)

{

*this = *in;

return this;

}


注意这里的this传递其实是通过寄存器的方式。

好了,说了半天,刚才那个问题,差不多也知道答案了。

调用闭包函数前,“捕获者”this指针被放在main中,并对其指向的内存块拷贝闭包中要用到的变量值,调用时,this通过寄存器送入闭包中,闭包通过this访问外层作用域(这里是main)的已捕获对象(这里是a)。

网友评论

登录后评论
0/500
评论
青衫无名
+ 关注