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基于C++ Lambda表达式的程序优化

分类: IT文章 • 2022-05-08 12:28:26

什么是Lambda？

C++ 11加入了一个非常重要的特性——Lambda表达式。营里（戴维营）的兄弟都对Objective-C很熟悉，许多人多block情有独钟，将各种回调函数、代理通通都用它来实现。甚至有人选择用FBKVOController、BlocksKit等开源框架将KVO、控件事件处理都改为通过block解决。原因就是简单、方便、直观，函数的定义和使用出现在同一个地方。这里的Lambda表达式实际上和block非常类似，当然如果你用它和Swift语言的闭包比较，那就是一回事了。

这是一个关于C\C++程序员的一个小故事，关于C++11——刚刚通过的新标准的一个小故事…

请不要误会，题目中所提及的“优化”并不是提升程序的性能——Lambda表达式干不了这个。从本质上来说，它只是一种“语法糖”而已。不使用这种表达式，我们照样可以写出满足需求的程序。正如放弃C而使用汇编，或者放弃汇编而使用机器语言一样，你能控制的范围就在那里，不增不减。但如果有得选择，我相信大部分人会选择汇编而非机器语言，选择C而非汇编，甚至选择C++而非C语言……。如果你确实是这样选择的，那么我有理由相信，你会选择C++新标准中的Lambda表达式，因为它确实能够简化你的程序，让你写起程序来更容易；让你的程序更易读，更优美；同时也让你有更多向同行炫耀的资本。

从一个实际的应用说起

让我们还是看一个例子吧。

无论是C语言的使用者，还是C++的用户，如果你从事PC程序的算法开发，我有96.57%的把握认为你可能使用过C++标准模板库STL（其中的string，vector之类）。毕竟，STL的抽象不错，不用白不用，是不是。STL中有一大类是算法，这些算法的抽象同样不错，我们就拿排序算法（sort）来说事吧。

假设现在有一个结构称为Student，其中包含了ID与name两项——分别表示学号与姓名。在某个应用中，用户希望对一个Student的数组按照ID的从大到小排序，那么程序可能写成如下的形式（本文中的所有程序均在Visual Studio 2010下编译通过）：

#include <string>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <algorithm>
using namespace std;
struct Student {
unsigned ID;
string name;
Student(unsigned i, string n) : ID(i), name(n){}
};
struct compareID {
bool operator ()(const Student& val1, const Student& val2)  const {
return val1.ID < val2.ID;
}
};
int main(int argc, char* argv[]) {
Student a[] = {Student(2, “John”), Student(0, “Tom”), Student(1, “Lily”)};
sort(a, a+3, compareID());
for(int i=0; i<3; ++i)
cout<<a[i].ID<<' ‘<<a[i].name<<endl;
return 0
}

程序用sort进行排序，之后用一个for循环输出结果。而之所以能完成这个排序，则是由于仿函数compardID的存在。

现在假设用户的需求变了（或者是另一个需求），需要你按照学生的姓名进行排序，那么你需要重新写一个仿函数如下：

struct compareName {
bool operator ()(const Student& val1, const Student& val2) const {
return val1.name < val2.name;
}
};

然后将sort的调用修改为：

sort(a, a+3, compareName());

问题出现了，你意识到了吗？你只是想表达一个很简单的排序方式，确不得不引入很多的代码行来建相应的仿函数。如果这个函数在很多地方都会用到，那么建立它的价值还相对较大。如果只是用在一个地方，你也不得不中段你流畅是思路，一边骂娘一边写出这么多行代码。另一方面，程序的读者在读到相应部分的时候，也不得不中段他流畅的思路，在工程的某个地方苦苦求索——compareName或者compareID是怎么干的呢？

是的，是的，作为一个C++老鸟，你会说，这样写代码太不专业了。完全可以有不建立仿函数的写法，比如以ID排序时，完全可以通过引入boost库中的bind来实现，比如这样：

sort(a, a+3, bind(less<unsigned>(), bind(&Student::ID, _1), bind(&Student::ID, _2)));

如果你能写出或是读懂这段代码，我承认你的C++水平确实说得过去（如果读不懂，没关系，它不是本文的重点）。但这段代码真的好吗？确实，这样可以省略了仿函数。但问题是代码的复杂性大大增加了——即使如此简单的一个需求，bind表达式也要复杂如斯，更复杂一点的需求要写成何等复杂的形式啊，这对于bind本身，写程序的人，读程序的人都是一种折磨——你hold住吗？

如果用Lambda表达式呢，唔，这个sort语句可以这么写：

sort(a, a+3, [](const Student& val1, const Student& val2){ return val1.ID < val2.ID; });

那个看上去有点奇怪的，sort的第三个函数就是一个Lambda表达式了。如果我们除去开头的“[]”不看，后面的部分很像一个函数——你可以很容易地看出这个函数是干什么的：给定两个Student元素，比较两个元素的ID值，并返回比较结果——这玩意儿比上面那个bind结果容易阅读多了。
事实上，利用Lambda表达式，上述程序可以修改为如下的样子（只列出了main函数）：

int main(int argc, char* argv[]) {
Student a[] = {Student(2, “John”), Student(0, “Tom”), Student(1, “Lily”)};
sort(a, a+3, [](const Student& val1, const Student& val2){ return val1.ID < val2.ID; });
for_each(a, a+3, [](const Student& val){cout<<val.ID<<' ‘<<val.name<<endl;});
return 0
}

其中的for_each句用于输出——其中的Lambda表达式意味着：对于每一个val，输出其ID与Name值——这样我们连for循环也省了。

Lambda表达式的引入就是为了更方便地书写程序，更容易地阅读程序。如同STL一样，有什么理由不去用呢？

Lambda表达式的基本语法

有了感性的认识后，我们来分析一下Lambda表达式的语法。

我这里无意把C++标准草案中Lambda表达式的有关章节翻译过来（我也不佩这么做）。只是在这里希望以最通俗的方式将它的语法讲解一二。从结构上说，Lambda表达式可以写成如下的形式：

Lambda-introducer lambda-declarator(opt) compound-statement

其中的Lambda-introducer就是刚刚的那个“[]”它是不能省略的。中括号中也可能出现变量。表示将局部变量传入到Lambda表达式中。lambda-declaratoropt是可选择的，包括了表达式的参数列表，返回值信息， mutable声明（以及一些其它信息，这里不做讨论）。而最后的compound-statement则是表达式的主要内容。

还是看一个例子吧：

int n = 10;
[n](int k) mutable -> int { return k + n; };

程序的第二行是一个lambda表达式，lambda里能出现的东西几乎全了（当然，正如我在前文说的，有一些其它信息这里不做讨论，所以没有加入其中）。让我们对里面的东西一一分析：

  • l[n]是Lambda-introducer，而n是一个变量，表明该表达式作用域中的变量n将被传入这个表达式。以本程序为例，传入的值是10。Lambda-introducer可以指定变量以值的方式传入，也可以用其它的形式指定其以引用的方式传入。其变型大家就baidu一下吧J
  • l(int k)表示了参数列表，属于lambda-declarator的一部分。你可以把表达式看成一个仿函数（如上文的）。这里指定了仿函数的参数列表。如果函数的参数列表为空，这一部分可以省略。
  • lmutable表示仿函数中的变量能否改变。以前文中compareID这个仿函数为例，注意到其中的operator ()是const的。如果lambda表达式中引入了这个mutable，则对应的仿函数中operator()的定义将不包含这个const——这意味着仿函数中的变量值（Lambda-introducer传入）可以改变。讨论operator() const与operator()的区别已经超出了本文的范围，想了解的话，看看C++相关教程吧
  • l-> int 表示返回类型（这里是int）。如果编译器能从代码中推断出返回类型，或者Lambda表达式的返回类型为void，则该项可省略；
  • l{ return k+n; }是compound-statement：函数体。

通过分析可以看出，这个Lambda表达式相当于一个函数，该函数读入一个int值k，将该值加上n返回。根据上述说明，这个表达式可以简写为：

[n](int k){ return k + n; };

Lambda表达式可以存储在std::function<T> 或 std:: reference_closure<T>类型的变量中。其中的T表示了表达式对应函数的类型。以上述表达式为例，它输入参数为int型变量，输出为int，那么为了保存它，可以写成如下的形式：

function<int(int)> g = [n](int k){ return k + n; };

另一个例子，前文所使用的Lambda表达式:

[](const Student& val1, const Student& val2){ return val1.ID < val2.ID; }

可以存储于function<bool(const Student&, const Student&)>这个类型的变量中。

如果你嫌这么写麻烦，也可以利用C++新标准中另一个新特性：类型推导。即用auto作为变量的类型，让编译器自己推导表达式的类型：

auto g = [n](int k){ return k + n; };

没问题，这样写g还是一个强类型的变量，只不过其类型是由编译器推导的，好处是你不用写太长的变量类型了J

Lambda表达式进阶

作为结尾，我们来看一些C++ Lambda表达式进阶的用法。

Lambda表达式被引入主要是用于函数式编程。有了Lambda表达式，我们也可以做一些函数式编程的东西。比如将一个函数作为返回值的应用：

auto g = [](int n) -> function<void (int)> {
return [n](int k){ cout<<n+k<<' ‘; };
};

它是一个Lambda表达式，输入一个整型变量n，返回一个函数（lambda表达式），这个函数接收一个int值k，并打印出k+n。g的使用方法如下：

int a[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};
function<void (int)> f = g(2);
for_each(a, a+10, f);

它将输出：3 4 5 6 7 8 9 10 11 2

有一点函数式编程的味道了

至于其它的东西，比如如下的表达式：

[](){}();

是一个有效的调用。其中“[](){}”表示一个Lambda表达式，其输入参数为空，返回void，什么都不干。而最后的()表示调用其求值——虽然什么都不干，但编译能通过，很唬人喔

好了，就写到这里吧。关于Lambda表达式想说的最后一件事是：它是新标准C++11中定义的。老的编译器不支持（这也是我用VS2010的原因）。想要用它，以及其它新标准带来的好处吗？嘿，你的家伙（指编译器）该升级了。

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