Boost.Lambda是什么?

Boost Lambda庫是C++模板庫,以C++語言實現了lambda抽象.Lambda這個術語來自函數編程語言和lambda閉包理論,lambda抽象實際上定義了匿名函數.了解過C#新引入的匿數函數特性或Lisp編程的人，對這些概念理解會有很大幫助.Lambda庫設計的主要動機是為STL算法提供靈活方便的定義匿名函數對象的機制.這個Lambda庫究竟是有什么用呢?代碼勝千言!看下面將STL容器中的元素打印到標準輸出上的代碼.

for_each(a.begin(), a.end(), std::cout << _1 << ' ');

表達式std::cout << _1 << ' '定義了一元函數對象.變量_1是函數的形參,是實參的占位符.每次for_each的迭代中,函數帶著實際的參數被調用,實際參數取代了占位符,然后函數體里的內容被執行.Lambda庫的核心就是讓你能像上面所展示的那樣,在STL算法的調用點,定義小的匿名函數對象.

Lambda庫的安裝

Lambda庫只由頭文件組成,這就意味著你不需要進行任何編譯,連接,生成二進制庫的動作,只需要boost庫頭文件路徑包含進你的工程中即可使用.

與現代的C++語言一樣,在使用時你需要聲明用到的名字空間,把下列的代碼包含在你的源文件頭:

using namespace boost::lambda;

Boost Lambda庫的動機

在標準模板庫STL成為標準C++的一部分后,典型的STL算法對容器中元素的操作大都是通過函數對象(function objects)完成的.這些函數作為實參傳入STL算法.

任何C++中以函數調用語法被調用的對象都是函數對象.STL對某些常見情況預置了些函數對象.比如:plus,less,not1下面就是標準plus模板的一種可能實現:

template <class T> 
struct plus : public binary_function <T, T, T> {
  T operator()(const T& i, const T& j) const {
    return i + j; 
  }
};

基類binary_function<T, T, T>包含了參數和函數對象返回類型的類型定義,這樣可使得函數對象可配接.

除了上面提到的基本的函數對象外,STL還包含了binder模板,將可配接的二元函數中的某個實參固定為常量值,來創建一個一元函數對象.比如:

class plus_1 {
  int _i;
public:
  plus_1(const int& i) : _i(i) {}
  int operator()(const int& j) { return _i + j; }
};

上面的代碼顯性地創建了一個函數對象,將其參數加1.這樣的功能可用plus模板與binder模板(bind1st來等效地實現.舉例來說,下面的兩行表達式創建了一個函數對象,當它被調用時,將返回1與調用參數的和.

plus_1(1)
bind1st(plus<int>(), 1)

plus<int>就是計算兩個數之和的函數對象.bind1st使被調用的函數對象的第一個參數綁定到常量1.作為上面函數對象的使用示例,下面的代碼就是將容器a中的元素加1后,輸出到標準輸出設備:

transform(a.begin(), a.end(), ostream_iterator<int>(cout),
          bind1st(plus<int>(), 1));

為了使binder更加通用,STL包含了適配器(adaptors)用于函數引用與指針,以及成員函數的配接.

所有這些工具都有一個目標,就是為了能在STL算法的調用點有可能指定一個匿名的函數,換句說,就是能夠使部分代碼片斷作為參數傳給調用算法函數.但是,標準庫在這方面只做了部分工作.上面的例子說明用標準庫工具進行匿名函數的定義還是很麻煩的.復雜的函數調用表達式,適配器,函數組合符都使理解變得困難.另外,在運用標準庫這些方法時還有明顯的限束.比如,標準C++98中的binder只允許二元函數的一個參數被綁定,而沒有對3參數,4參數的綁定.這種情況在TR1實施后,引進了通用的binder后可能改善,對于使用MSVC的程序員,有興趣還可以查看下微軟針對VS2008發布的TR1增強包.

但是不管怎樣,Lambda庫提供了針對這些問題比較優雅的解決方法:

• 對匿名函數以直觀的語義進行創建,上面的例子可改寫成:

  transform(a.begin(), a.end(), ostream_iterator<int>(cout), 
            1 + _1);
  

  更直觀點:

  for_each(a.begin(), a.end(), cout << (1 + _1));
  

• 絕大部分對函數參數綁定的限制被去除,在實際C++代碼中可以綁定任意的參數

• 分離的函數組合操作不再需要了,函數組合被隱性地支持.

Lambda表達式介紹

Lambda表達在函數式編程語言中很常見.在不同語言中,它們的語法有著很大不同,但是lambda表達式的基本形式是:

lambda x1...xn.e

lambda表達式定義了匿名函數,并由下列的元素組成

• 函數的參數:x₁...x_n
• 表達式e,以參數x₁...x_n的形式計算函數的值

一個簡單的lambda表達式的例子是:

(lambda x y.x+y) 2 3 = 2 + 3 = 5 

在lambda表達式的C++版本中,表達式中x₁...x_n不需要,已預定義形式化的參數.在現在Boost.Lambda庫中,存在三個這樣的預定義的參數,叫做占位符:_1,_2,和_3.它們分別指代在lambda表達式中的第一,二,三個參數.比如,下面這樣的lambda表達式:

lambda x y.x+y

C++定義的形式將會是這樣:

_1 + _2

因此在C++中的lambda表達式沒有語義上所謂的關鍵字.占位符作為運算符使用時就隱性地意味著運算符調用是個lambda表達式.但是只有在作為運算符調用才是這樣.當Lambda表達式包含函數調用,控制結構,轉換時就需要特殊的語法調用了.更為重要的是,作為函數調用是需封裝成binder函數的形式.比如,下面這個lambda表達式:

lambda x y.foo(x,y)

不應寫成foo(_1,_2),對應的C++結構應如下:

bind(foo, _1, _2)

對于這種表達式,更傾向于作為綁定表達式bind expressions

lambda表達式定義了C++的函數對象,因此,對于函數調用的形式跟其他的函數對象一樣,比如:(_1 + _2)(i, j).

性能

性能,運行效率,總是C++程序員關心的話題.理論上,相對于手寫循環代碼,使用STL算法和Lambda函數對象的所有運行開銷,可以通過編譯優化消除掉.這種優化取決于編譯器,實際中的編譯器大都能做到.測試表明,性能會有下降,但是影響不大,對于代碼的效率和簡潔之間的權衡,只能由程序員自己做出判斷了.

Lambda庫的設計與實現中大量運用了模板技術,造成對于同一模板需要大量的遞歸實例化．這一因素可能使構建復雜邏輯的lambda表達式，不是一個非常理想的做法．因為編譯這些表達式需要大量的內存，從而使編譯時間變得非常慢，這在一些大型項目中會更加突出．還有在發生編誤錯誤時，引發的大量錯誤信息，不能有效地指出真正錯誤之處．最后點，C++標準建議模板的嵌套層次不要超過17層來防止導致無限遞歸,而復雜的Lambda表達式模板會很容易超過這一限制．雖然大多數編譯器允許更深層次的模板嵌套，但是通常需要顯性地傳入一個命令行參數才能做到．

參考

大多數內容是從Boost.Lambday庫在線文檔參考翻譯而成