浅谈C++ Lambda 表达式（简称LB）

C++ 11 对LB的支持，对于喜欢Functional Programming的人来说，无疑是超好消息。它使得C++进入了和C#，JavaScript等现代流行的程序设计语言所代表的名人堂。

不熟悉LB本身的网友，可以看MSDN文章

（ http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd293608.aspx ），我仅仅简单地分析一下VC++中LB的用法，实现，和性能。

无名引用

对于一次性的，带参数表达式，用LB可以节省不必要的class定义和维护，简化程序的设计-维护代价。

比如下面的vector处理代码，简洁明了：

vector<int> v1(10, 1);

int sum = 0;

for_each (v1.begin(), v1.end(), [&](int i){ sum += i; })；//Line1

否则，我们必须定义一个function类，把如此简单的事情复杂化。用了LB，我们把定义function 类的工作，转交给编译。VC++中，上述LB编译的实现是产生一个隐身类：

class _lambda_a01 {

int &capture1_;

public:

_lambda_a01(int &x): capture1_(x) {} //Line2

operator void (int i) { capture1_ += I; }

};

在引用时（Line1），它变成：

_lambda_a01 lbd1（sum）；

for（auto a：v1）{

ldb1（a）；

}

读者也许好奇，为什么C++不直接把LB转换成inline expression (inline 表达式），而是要生成一个隐身类呢？这是因为LB的确可以当成“type”变量来用，这样使得LB和其他类有了同等地位。比如：

vector<int> v1(10, 1);

int sum = 0;

for_each (v1.begin(), v1.end(), [&](int i){ sum += i; })；//Line1

vector<int> v2(10, 1);

int sum2 = 0;

for_each (v1.begin(), v1.end(), [&](int i){ sum2 += i; })；//Line2

我们如果用上述的方法，Line1和Line2重复代码，是软件工程的大忌。我们可以用下列LB使用模式：

有名无型引用

vector<int> v1(10, 1);

vector<int> v2(10, 1);

int sum = 0;

auto lb = [&](int i){ sum += i; }； //Line0

for_each (v1.begin(), v1.end(), lb)；//Line1

sum = 0; // Line1.1

for_each (v1.begin(), v1.end(), lb})；//Line2

在Line0，我们定义了一个有名（lb）无型的LB，可以在Line1和Line2重复使用。

注意的是，

1）每个LB的“定义”都会产生新的“隐身”类，所以尽量用“有名引用”，会减少代码的size，缩小工作集。

2）定义时，LB一次性“俘获”环境变量，所以上面修改后的代码加了Line1.1，以便正确表达应用逻辑。

3）俘获可以是“传值（by value）”也可以是“传引用（by reference）。我们Line0用的是by reference.

有名有型引用

上面两种LB使用模式，是LB应用的主要模式，它直接反映出了LB的优点。另一方面说，既然LB无非是隐身类，我们没有理由不能把它当作普通变量使用。这个模式是一种简化的functor使用模式。我们可以把LB定义成一个std::function，比如上面的auto lb可以定义成：

std::function <void(int)> lb; //lb is a function which takes an integer and returns void

注意到用这个定义，使得我们可以推迟给LB变量赋值，甚至一变量赋多址（不同时间）。下面就是一个简单用例：

struct MyLambda

{

std::function <int (int)> _lbda;//line1

int _extra;

};

MyLambda TestLambdaObj(int t)

{

MyLambda ret;

if (t == 1)

{

ret._extra = t;

ret._lbda = [=](int x) -> int { return t + x; }; //line2

return ret;

}

else

{

ret._extra = t;

ret._lbda = [=](int x) -> int { return t * x; };//line3

return ret;

}

void TestLambdaFun2(int t)

{

MyLambda ret = TestLambdaObj(t);

int v = ret._lbda(t); //line4

printf("v is '%d' for type %d", v, t);

}

我们先定义MyLambda数据类，并与其定义了一了function成员_lbda，根据C++ SPEC，他可以由LB转换构造，并且和普通的类变量无甚区别。然后我们可以运行时给它赋值（line2，line3），当作普通function来使用（line4）。

注意的是：

function的定义中没有“闭包”的概念，闭包的形成是在LB创建时实现（line2，line3）。
把LB赋值给function变量，必然造成调用时（line4）的间接性（通过函数指针），其性能相当于虚拟函数，也不能inline化，当然比直接调用有所下降。

闭包（closure）是LB的独特附加值

如果你问为什用LB而不用std::function？我的回答是“闭包”。

C++用LB来实现闭包，是一个简化繁琐的class初始化的syntax sugar。这一点是std::function所不可替代的。比如说：

auto sum = 0;

auto step = 2;

auto lb = [&](int i){ sum += i + step; }//capture sum and step by ref

lb形成自己的闭包，自动从环境中俘获了sum和step，若用class实现，上面的程序起码增加10行代码。

LB性能初探

下面的简单程序，测试四种功能完全一样，但使用不同表达式的逻辑：

1）t =1 时用LB，

2）t=2 时用直接表达式

3）t=3 时用函数

4）t=4时用std::function间接调用LB

void TestLambdaFun(int t)

{

using namespace std;

vector<int> v1(10, 1);

int x = 0;

int u = 0;

if (t == 1)

{

clock_t begin = clock();

for (int i = 0; i < 100000; ++i)

{

for_each (v1.begin(),

v1.end(),

[&x, &u](int i){ u += i+(x++); });// Line 1

}

clock_t end = clock();

auto spent = double(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC;

printf("spent for type '%d' is %f u is %d\n", t, spent, u);

}

else if (t == 2)

{

clock_t begin = clock();

for (int i = 0; i < 100000; ++i)

{

auto _First = v1.begin();

auto _Last = v1.end();

for (; _First != _Last; ++_First)

{

u = *_First+(x++); // Line 2

}

clock_t end = clock();

auto spent = double(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC;

printf("spent for type '%d' is %f u is %d\n", t, spent, u);

}

else if (t == 3)

{

clock_t begin = clock();

for (int i = 0; i < 100000; ++i)

{

auto _First = v1.begin();

auto _Last = v1.end();

for (; _First != _Last; ++_First)

{

FuncAdd(u, x, *_First); // Line 3

}

clock_t end = clock();

auto spent = double(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC;

printf("spent for type '%d' is %f u is %d\n", t, spent, u);

}

else if (t == 4)

{

clock_t begin = clock();

std::function <void (int)> lbda;

for (int i = 0; i < 100000; ++i)

{

lbda = [&](int i){ u += i + (x++); };

for_each (v1.begin(), v1.end(), lbda); // Line 4

}

clock_t end = clock();

auto spent = double(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC;

printf("spent for type '%d' is %f u is %d\n", t, spent, u);

}

void FuncAdd(int &u, int &x, int i)

{

u = i+(x++);

}

下面是VC++ 2010中的测试结果：

在debug模式下，t=2时速度最快，这是因为t=1，t=3，t=4时都是用了函数调用，性能当然不及inline表达式。
在release模式下（选择/Ob1优化，对inline函数进行inline扩展）
- t=1和t=2速度完全一样，比t=3时平均快3倍。当然，我们也可以把FuncAdd inline化。这里的主要目的，是证明优化后，LB的性能和表达式完全一样。证明C++ lambda expression不是浪得虚名的隐身类的syntax sugar,而是名副其实的“表达式”。

t=4最慢，它和t=3类似。但是由于通过了std::function的虚拟函数表间接调用，/Ob1优化失去作用，使它不但要调用一个（） operator，而且是通过“虚拟表”间接调用。所以从性能上说，把LB通过std::function间接使用，失去了LB的性能优势。

总结

C++ 11 的lambda expression（简称LB），在可以保证和inline expression同样性能的条件下，增加了参数功能和闭包功能，是我们写出简洁，明了，易维护代码的绝佳工具。应用时，为了避免代码重复和增加隐身类的数量，可用有名无型的LB变量。LB也可以赋值于std::function，当作函数指针使用，但是性能不及简单地inline使用。