在C++中使用Lambda函數(shù)提高代碼性能

作者：楊賽譯 2009-04-14 14:53:06

代碼在多核多處理器的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)要想充分提高運(yùn)行性能，可以通過(guò)OpenMP編譯指示來(lái)完成；不過(guò)C++提供了一個(gè)更加方便的使用Lambda函數(shù)實(shí)現(xiàn)性能提升的方法。文章通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)函數(shù)例子說(shuō)明了這個(gè)方法。

【51CTO快譯】使編譯器以及操作系統(tǒng)從正在創(chuàng)建的應(yīng)用中榨取更高性能的關(guān)鍵在于提供充足的有關(guān)代碼意圖的信息。在充分了解這個(gè)代碼意圖實(shí)現(xiàn)的功能等信息的情況下，就有可能將代碼在編譯時(shí)和運(yùn)行時(shí)的并行吞吐量***化，令開(kāi)發(fā)者可以將更多精力放在他們所關(guān)注的商業(yè)領(lǐng)域的問(wèn)題，將重量級(jí)的多核多處理器的任務(wù)計(jì)劃交托給編譯器，運(yùn)行時(shí)庫(kù)以及操作系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施代碼來(lái)處理。

循環(huán)函數(shù)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)樵谒锌捎玫挠布Y源中，被分離的循環(huán)中的各個(gè)部分在一般情況下能夠提供更高的應(yīng)用性能?？紤]這樣一個(gè)小情況：迭代選定組合中的全部元素以求得總和。最簡(jiǎn)單最直接的執(zhí)行方法如下：

std::vector﹤int﹥ v;
v.push_back(1);
v.push_back(5);
int total = 0;
for (int ix = 0; ix ﹤ v.size(); ++ix){
total += v[ix];
}

以上的例子十分便于人工讀寫(xiě)。對(duì)于熟悉C語(yǔ)言家族語(yǔ)法的開(kāi)發(fā)者而言，這個(gè)循環(huán)的意圖也十分容易理解。然而對(duì)于編譯器以及運(yùn)行時(shí)庫(kù)的組合而言，要在多個(gè)線程之間計(jì)劃好這個(gè)循環(huán)，它還需要類(lèi)似于OpenMP編譯指示一類(lèi)的指示來(lái)告訴它哪里有優(yōu)化的空間：

std::vector﹤int﹥ v;
v.push_back(1);
v.push_back(5);
int total = 0;
#pragma omp for
for (int ix = 0; ix ﹤ v.size(); ++ix){
#pragma omp atomic
total += v[ix];
}

***個(gè)OpenMP指示提出了多線程運(yùn)行for循環(huán)的要求，而第二個(gè)omp atomic指示則被用來(lái)防止多線程同時(shí)向總數(shù)變量上寫(xiě)入。對(duì)于OpenMP，在MSDN庫(kù)的參考文檔中有關(guān)于所有指示的詳細(xì)介紹。

如果使用了聲明式循環(huán)技巧，那么將并行方法應(yīng)用在矢量求和上則更加干凈簡(jiǎn)單。STL for_each函數(shù)是一個(gè)理想的替代品，以上的例子則被改寫(xiě)如下：

class Adder{
private:
int _total;
public:
Adder() : _total(0) {}

void operator ( ) ( int& i )
{
_total += i;
}

operator int ( )
{
return _total;
}
};

void VectorAdd()
{
std::vector﹤int﹥ v;
v.push_back(1);
v.push_back(5);
int total = std::for_each(v.begin(), v.end(), Adder());
}

這里，具體的for循環(huán)被舍棄，求矢量和的代碼變得干凈了一些；但是由于需要使用一系列運(yùn)行符來(lái)定義一個(gè)類(lèi)，這使得這個(gè)解決方案被大大的復(fù)雜化了。除非代碼庫(kù)中還有大量類(lèi)似的求和聲明，否則一個(gè)開(kāi)發(fā)者是不會(huì)僅僅為了STL for_each的那點(diǎn)好處而多花費(fèi)功夫去定義一個(gè)新類(lèi)的。

仔細(xì)檢查這個(gè)Adder類(lèi)，可以很明顯的看出其大部分內(nèi)容都僅僅是用來(lái)滿足將實(shí)例用作函數(shù)對(duì)象的調(diào)用條件的。這個(gè)類(lèi)中唯一起到計(jì)算作用的僅僅是那一行_total += i。考慮到這一點(diǎn)，C++ 0x提供了一個(gè)被大大簡(jiǎn)化了的、以lambda函數(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)法技巧。Lambda函數(shù)移除了對(duì)這些搭架子代碼的需求，并允許在另外的一個(gè)聲明中定義一個(gè)謂詞函數(shù)。由此，VectorAdd函數(shù)可以被改寫(xiě)如下：

std::vector﹤int﹥ v;
v.push_back(1);
v.push_back(5);
int total = 0;
std::for_each(v.begin(), v.end(),
[&total](int x) {total += x;}
);

Lambda函數(shù)的語(yǔ)法相當(dāng)直截了當(dāng)。方括號(hào)中的***個(gè)lambda元素告訴編譯器，本地變量total通過(guò)引用被捕捉（這樣的情況下***用引用捕捉，因?yàn)槟阈枰噶亢偷慕Y(jié)果在for_each之后仍然有效），而lambda的第二部分則是參數(shù)列表。Lambda的***一部分是函數(shù)的主體，這個(gè)例子中就是將參數(shù)x的值加到變量total中去。

如果在lambda函數(shù)中沒(méi)有需要捕捉的變量，或者只需要捕捉變量的一個(gè)副本，那么函數(shù)開(kāi)始的方括號(hào)可以留空：

std::for_each(v.begin(), v.end(), [](int x) {
std::cout ﹤﹤ x ﹤﹤ std::endl;
});

混合的捕捉方法也可以使用：

int total = 0;
bool displayInput = true;
std::for_each(v.begin(), v.end(), [&total, displayInput](int x) {
total += x;
if (displayInput){
std::cout ﹤﹤ x ﹤﹤ std::endl;
}
});

這里，變量displayInput通過(guò)副本被捕捉。Visual C++編譯器在編譯時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)C3491：'displayInput'：一個(gè)在lambda函數(shù)內(nèi)數(shù)值被改變的變量無(wú)法在一個(gè)非可變lambda中通過(guò)數(shù)值被捕捉。

Lambda函數(shù)中還有一個(gè)值得注意的地方，就是它的返回值類(lèi)型。編譯器一般會(huì)盡可能的（也是被要求的）推斷l(xiāng)ambda表達(dá)式的返回值類(lèi)型，不過(guò)對(duì)于復(fù)雜的多行表達(dá)式而言，有可能會(huì)需要確切的聲明返回值類(lèi)型。返回值類(lèi)型聲明通過(guò)在lambda函數(shù)參數(shù)和函數(shù)主體之間添加-﹥運(yùn)行符以及需要被聲明的返回值類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)：

std::for_each(v.begin(), v.end(),
[&](int x)-﹥void {total += x;});
}

C++中有了lambda函數(shù)，這令聲明式編程以及使用STL運(yùn)算法則變得更加簡(jiǎn)潔。Lambda函數(shù)允許在函數(shù)主體內(nèi)的可執(zhí)行代碼字行間進(jìn)行定義。在為編譯器提供強(qiáng)大的優(yōu)化提示之外，Lambda函數(shù)所推崇的代碼模式可以令人更加簡(jiǎn)單的理解哪段代碼是要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能。Visual C++ 2010將帶來(lái)在并行處理上的顯著功能提升，而lambda函數(shù)將是具體實(shí)現(xiàn)這些提升的重要手段之一。

原文：C++ Lambda Function – Making Coding Easier by Nick Wienholt

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