基於C++ Lambda運算式的程式最佳化

基於C++ Lambda運算式的程式最佳化2012-06-21 11:59

這是一個關於C\C++程式員的一個小故事，關於C++11――剛剛通過的新標準的一個小故事… 請不要誤會，題目中所提及的“最佳化”並不是提升程式的效能――Lambda運算式幹不了這個。從本質上來說，它只是一種“文法糖”而已。不使用這種運算式，我們照樣可以寫出滿足需求的程式。正如放棄C而使用彙編，或者放棄彙編而使用機器語言一樣，你能控制的範圍就在那裡，不增不減。但如果有得選擇，我相信大部分人會選擇彙編而非機器語言，選擇C而非彙編，甚至選擇C++而非C語言……。如果你確實是這樣選擇的，那麼我有理由相信，你會選擇C++新標準中的Lambda運算式，因為它確實能夠簡化你的程式，讓你寫起程式來更容易；讓你的程式更易讀，更優美；同時也讓你有更多向同行炫耀的資本。 從一個實際的應用說起 讓我們還是看一個例子吧。 無論是C語言的使用者，還是C++的使用者，如果你從事PC程式的演算法開發，我有96.57%的把握認為你可能使用過C++標準模板庫STL（其中的string，vector之類）。畢竟，STL的抽象不錯，不用白不用，是不是。STL中有一大類是演算法，這些演算法的抽象同樣不錯，我們就拿排序演算法（sort）來說事吧。 假設現在有一個結構稱為Student，其中包含了ID與name兩項――分別表示學號與姓名。在某個應用中，使用者希望對一個Student的數組按照ID的從大到小排序，那麼程式可能寫成如下的形式（本文中的所有程式均在Visual Studio 2010下編譯通過）： #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 } 程式用sort進行排序，之後用一個for迴圈輸出結果。而之所以能完成這個排序，則是由於仿函數compardID的存在。 現在假設使用者的需求變了（或者是另一個需求），需要你按照學生的姓名進行排序，那麼你需要重新寫一個仿函數如下： struct compareName { bool operator ()(const Student& val1, const Student& val2) const? ? { return val1.name < val2.name; } }; 然後將sort的調用修改為： sort(a, a+3, compareName()); 問題出現了，你意識到了嗎？你只是想表達一個很簡單的排序方式，確不得不引入很多的程式碼來建相應的仿函數。如果這個函數在很多地方都會用到，那麼建立它的價值還相對較大。如果只是用在一個地方，你也不得不中段你流暢是思路，一邊罵娘一邊寫出這麼多行代碼。另一方面，程式的讀者在讀到相應部分的時候，也不得不中段他流暢的思路，在工程的某個地方苦苦求索――compareName或者compareID是怎麼乾的呢？ 是的，是的，作為一個C++老鳥，你會說，這樣寫代碼太不專業了。完全可以有不建立仿函數的寫法，比如以ID排序時，完全可以通過引入boost庫中的bind來實現，比如這樣： sort(a, a+3, bind(less<unsigned>(), bind(&Student::ID, _1), bind(&Student::ID, _2))); 如果你能寫出或是讀懂這段代碼，我承認你的C++水平確實說得過去（如果讀不懂，沒關係，它不是本文的重點）。但這段代碼真的好嗎？確實，這樣可以省略了仿函數。但問題是代碼的複雜性大大增加了――即使如此簡單的一個需求，bind運算式也要複雜如斯，更複雜一點的需求要寫成何等複雜的形式啊，這對於bind本身，寫程式的人，讀程式的人都是一種折磨――你hold住嗎？ 如果用Lambda運算式呢，唔，這個sort語句可以這麼寫： sort(a, a+3, [](const Student& val1, const Student& val2){ return val1.ID < val2.ID; }); 那個看上去有點奇怪的，sort的第三個函數就是一個Lambda運算式了。如果我們除去開頭的“[]”不看，後面的部分很像一個函數――你可以很容易地看出這個函數是幹什麼的：給定兩個Student元素，比較兩個元素的ID值，並返回比較結果――這玩意兒比上面那個bind結果容易閱讀多了。 事實上，利用Lambda運算式，上述程式可以修改為如下的樣子（只列出了main函數）： 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句用於輸出――其中的Lambda運算式意味著：對於每一個val，輸出其ID與Name值――這樣我們連for迴圈也省了。 Lambda運算式的引入就是為了更方便地書寫程式，更容易地閱讀程式。如同STL一樣，有什麼理由不去用呢？ Lambda運算式的基本文法 有了感性的認識後，我們來分析一下Lambda運算式的文法。 我這裡無意把C++標準草案中Lambda運算式的有關章節翻譯過來（我也不佩這麼做）。只是在這裡希望以最通俗的方式將它的文法講解一二。從結構上說，Lambda運算式可以寫成如下的形式： Lambda-introducer lambda-declarator(opt) compound-statement 其中的Lambda-introducer就是剛剛的那個“[]”它是不能省略的。中括弧中也可能出現變數。表示將局部變數傳入到Lambda運算式中。lambda-declaratoropt是可選擇的，包括了運算式的參數列表，傳回值資訊，mutable聲明（以及一些其它資訊，這裡不做討論）。而最後的compound-statement則是運算式的主要內容。 還是看一個例子吧： int n = 10; [n](int k) mutable -> int { return k + n; }; 程式的第二行是一個lambda運算式，lambda裡能出現的東西幾乎全了（當然，正如我在前文說的，有一些其它資訊這裡不做討論，所以沒有加入其中）。讓我們對裡面的東西一一分析： l[n]是Lambda-introducer，而n是一個變數，表明該運算式範圍中的變數n將被傳入這個運算式。以本程式為例，傳入的值是10。Lambda-introducer可以指定變數以值的方式傳入，也可以用其它的形式指定其以引用的方式傳入。其變型大家就baidu一下吧J l(int k)表示了參數列表，屬於lambda-declarator的一部分。你可以把運算式看成一個仿函數（如上文的）。這裡指定了仿函數的參數列表。如果函數的參數列表為空白，這一部分可以省略。 lmutable表示仿函數中的變數能否改變。以前文中compareID這個仿函數為例，注意到其中的operator ()是const的。如果lambda運算式中引入了這個mutable，則對應的仿函數中operator()的定義將不包含這個const――這意味著仿函數中的變數值（Lambda-introducer傳入）可以改變。討論operator() const與operator()的區別已經超出了本文的範圍，想瞭解的話，看看C++相關教程吧J l-> int表示傳回型別（這裡是int）。如果編譯器能從代碼中推斷出傳回型別，或者Lambda運算式的傳回型別為void，則該項可省略； l{ return k+n; }是compound-statement：函數體。 通過分析可以看出，這個Lambda運算式相當於一個函數，該函數讀入一個int值k，將該值加上n返回。根據上述說明，這個運算式可以簡寫為： [n](int k){ return k + n; }; Lambda運算式可以儲存在std::function<T>或std:: reference_closure<T>類型的變數中。其中的T表示了運算式對應函數的類型。以上述運算式為例，它輸入參數為int型變數，輸出為int，那麼為了儲存它，可以寫成如下的形式： function<int(int)> g = [n](int k){ return k + n; }; 另一個例子，前文所使用的Lambda運算式: [](const Student& val1, const Student& val2){ return val1.ID < val2.ID; } 可以儲存於function<bool(constStudent&,constStudent&)>這個類型的變數中。 如果你嫌這麼寫麻煩，也可以利用C++新標準中另一個新特性：類型推導。即用auto作為變數的類型，讓編譯器自己推導運算式的類型： auto g = [n](int k){ return k + n; }; 沒問題，這樣寫g還是一個強型別的變數，只不過其類型是由編譯器推導的，好處是你不用寫太長的變數類型了J Lambda運算式進階 作為結尾，我們來看一些C++ Lambda運算式進階的用法。 Lambda運算式被引入主要是用於函數式編程。有了Lambda運算式，我們也可以做一些函數式編程的東西。比如將一個函數作為傳回值的應用： auto g = [](int n) -> function<void (int)> { return [n](int k){ cout<<n+k<<’ ‘; }; }; 它是一個Lambda運算式，輸入一個整型變數n，返回一個函數（lambda運算式），這個函數接收一個int值k，並列印出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); 它將輸出：3 4 5 6 7 8 9 10 11 2 有一點函數式編程的味道了J 至於其它的東西，比如如下的運算式： [](){}(); 是一個有效調用。其中“[](){}”表示一個Lambda運算式，其輸入參數為空白，返回void，什麼都不幹。而最後的()表示調用其求值――雖然什麼都不幹，但編譯能通過，很唬人喔J 好了，就寫到這裡吧。關於Lambda運算式想說的最後一件事是：它是新標準C++11中定義的。老的編譯器不支援（這也是我用VS2010的原因）。想要用它，以及其它新標準帶來的好處嗎？嘿，你的傢伙（指編譯器）該升級了J