Boost.Lambda是什么?

Boost Lambda庫是C++模板庫,以C++語言實(shí)現(xiàn)了lambda抽象.Lambda這個(gè)術(shù)語來自函數(shù)編程語言和lambda閉包理論,lambda抽象實(shí)際上定義了匿名函數(shù).了解過C#新引入的匿數(shù)函數(shù)特性或Lisp編程的人，對這些概念理解會有很大幫助.Lambda庫設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)訖C(jī)是為STL算法提供靈活方便的定義匿名函數(shù)對象的機(jī)制.這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)輸出上的代碼.

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

表達(dá)式std::cout << _1 << ' '定義了一元函數(shù)對象.變量_1是函數(shù)的形參,是實(shí)參的占位符.每次for_each的迭代中,函數(shù)帶著實(shí)際的參數(shù)被調(diào)用,實(shí)際參數(shù)取代了占位符,然后函數(shù)體里的內(nèi)容被執(zhí)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(diào)用點(diǎn),定義小的匿名函數(shù)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(jìn)行任何編譯,連接,生成二進(jìn)制庫的動作,只需要boost庫頭文件路徑包含進(jìn)你的工程中即可使用.

與現(xiàn)代的C++語言一樣,在使用時(shí)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(jī)

在標(biāo)準(zhǔn)模板庫STL成為標(biāo)準(zhǔn)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(shù)對象(function objects)完成的.這些函數(shù)作為實(shí)參傳入STL算法.

任何C++中以函數(shù)調(diào)用語法被調(diào)用的對象都是函數(shù)對象.STL對某些常見情況預(yù)置了些函數(shù)對象.比如:plus,less,not1下面就是標(biāo)準(zhǔn)plus模板的一種可能實(shí)現(xiàn):

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(shù)和函數(shù)對象返回類型的類型定義,這樣可使得函數(shù)對象可配接.

除了上面提到的基本的函數(shù)對象外,STL還包含了binder模板,將可配接的二元函數(shù)中的某個(gè)實(shí)參固定為常量值,來創(chuàng)建一個(gè)一元函數(shù)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(chuàng)建了一個(gè)函數(shù)對象,將其參數(shù)加1.這樣的功能可用plus模板與binder模板(bind1st來等效地實(shí)現(xiàn).舉例來說,下面的兩行表達(dá)式創(chuàng)建了一個(gè)函數(shù)對象,當(dāng)它被調(diào)用時(shí),將返回1與調(diào)用參數(shù)的和.

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

plus<int>就是計(jì)算兩個(gè)數(shù)之和的函數(shù)對象.bind1st使被調(diào)用的函數(shù)對象的第一個(gè)參數(shù)綁定到常量1.作為上面函數(shù)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(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)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(shù)引用與指針,以及成員函數(shù)的配接.

所有這些工具都有一個(gè)目標(biāo),就是為了能在STL算法的調(diào)用點(diǎn)有可能指定一個(gè)匿名的函數(shù),換句說,就是能夠使部分代碼片斷作為參數(shù)傳給調(diào)用算法函數(shù).但是,標(biāo)準(zhǔn)庫在這方面只做了部分工作.上面的例子說明用標(biāo)準(zhǔn)庫工具進(jìn)行匿名函數(shù)的定義還是很麻煩的.復(fù)雜的函數(shù)調(diào)用表達(dá)式,適配器,函數(shù)組合符都使理解變得困難.另外,在運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)庫這些方法時(shí)還有明顯的限束.比如,標(biāo)準(zhǔn)C++98中的binder只允許二元函數(shù)的一個(gè)參數(shù)被綁定,而沒有對3參數(shù),4參數(shù)的綁定.這種情況在TR1實(shí)施后,引進(jìn)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(fā)布的TR1增強(qiáng)包.

但是不管怎樣,Lambda庫提供了針對這些問題比較優(yōu)雅的解決方法:

• 對匿名函數(shù)以直觀的語義進(jìn)行創(chuàng)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(diǎn):

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

• 絕大部分對函數(shù)參數(shù)綁定的限制被去除,在實(shí)際C++代碼中可以綁定任意的參數(shù)

• 分離的函數(shù)組合操作不再需要了,函數(shù)組合被隱性地支持.

Lambda表達(dá)式介紹

Lambda表達(dá)在函數(shù)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(dá)式的基本形式是:

lambda x1...xn.e

lambda表達(dá)式定義了匿名函數(shù),并由下列的元素組成

• 函數(shù)的參數(shù):x₁...x_n
• 表達(dá)式e,以參數(shù)x₁...x_n的形式計(jì)算函數(shù)的值

一個(gè)簡單的lambda表達(dá)式的例子是:

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

在lambda表達(dá)式的C++版本中,表達(dá)式中x₁...x_n不需要,已預(yù)定義形式化的參數(shù).在現(xiàn)在Boost.Lambda庫中,存在三個(gè)這樣的預(yù)定義的參數(shù),叫做占位符:_1,_2,和_3.它們分別指代在lambda表達(dá)式中的第一,二,三個(gè)參數(shù).比如,下面這樣的lambda表達(dá)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(dá)式?jīng)]有語義上所謂的關(guān)鍵字.占位符作為運(yùn)算符使用時(shí)就隱性地意味著運(yùn)算符調(diào)用是個(gè)lambda表達(dá)式.但是只有在作為運(yùn)算符調(diào)用才是這樣.當(dāng)Lambda表達(dá)式包含函數(shù)調(diào)用,控制結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換時(shí)就需要特殊的語法調(diào)用了.更為重要的是,作為函數(shù)調(diào)用是需封裝成binder函數(shù)的形式.比如,下面這個(gè)lambda表達(dá)式:

lambda x y.foo(x,y)

不應(yīng)寫成foo(_1,_2),對應(yīng)的C++結(jié)構(gòu)應(yīng)如下:

bind(foo, _1, _2)

對于這種表達(dá)式,更傾向于作為綁定表達(dá)式bind expressions

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

性能

性能,運(yùn)行效率,總是C++程序員關(guān)心的話題.理論上,相對于手寫循環(huán)代碼,使用STL算法和Lambda函數(shù)對象的所有運(yùn)行開銷,可以通過編譯優(yōu)化消除掉.這種優(yōu)化取決于編譯器,實(shí)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(quán)衡,只能由程序員自己做出判斷了.

Lambda庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中大量運(yùn)用了模板技術(shù),造成對于同一模板需要大量的遞歸實(shí)例化．這一因素可能使構(gòu)建復(fù)雜邏輯的lambda表達(dá)式，不是一個(gè)非常理想的做法．因?yàn)榫幾g這些表達(dá)式需要大量的內(nèi)存，從而使編譯時(shí)間變得非常慢，這在一些大型項(xiàng)目中會更加突出．還有在發(fā)生編誤錯(cuò)誤時(shí)，引發(fā)的大量錯(cuò)誤信息，不能有效地指出真正錯(cuò)誤之處．最后點(diǎn)，C++標(biāo)準(zhǔn)建議模板的嵌套層次不要超過17層來防止導(dǎo)致無限遞歸,而復(fù)雜的Lambda表達(dá)式模板會很容易超過這一限制．雖然大多數(shù)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(gè)命令行參數(shù)才能做到．

參考

大多數(shù)內(nèi)容是從Boost.Lambday庫在線文檔參考翻譯而成