泛型Lambda,如此强大!

C语言与CPP编程

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2022-01-20 09:50

最近发现泛型编程有了另一利器——泛型Lambda,比想象当中要强大许多,威力不小和大家分享一下。
本篇内容需要对泛型编程有所了解,若是读过之前更新的相关文章,食用更佳。

1

泛型编程

开始之前,先来简单回顾一下泛型编程的内容。

泛型编程的目的是将「数据和方法」进行分离,将数据高度抽象,于是可以表示同类问题的「最小通解」。

C++中,通过模板来实现泛型编程,模板又分为变量模板、函数模板和类模板。

这些模板始终围绕着「数据和方法」。变量模板属于对数据类型的抽象,函数模板属于对方法的抽象,而类模板,则二者兼有,因为类本身的目的就是将数据和方法进行结合。

因此为什么说函数模板处理的是数值,而类模板处理的是类型呢?就是由于函数只具有方法,而在C++中方法是不支持偏特化的,所以它无法处理类型。

到了C++14,Lambda也迎来了泛化能力,称为Generic Lambda。不过此时的泛化能力只是由auto带来的,威力略弱。

随后又经过多年的发展,Lambda的能力越来越强。C++20加入了Template Lambda,这让Lambda也可以指定模板参数,使得Lambda的泛化能力更加完善。

至此,C++的泛型编程多了一个新的主角——泛型Lambda。


2

泛型Lambda

为何泛型Lambda值得单独拿出来说呢?

一是因其特殊性,在一些情境使用它来封装变化,会让事情简单许多;二是由其新颖性,它的许多特性和用处尚处探索期,值得讨论。

首先来说其特殊性。

Lambda函数其实就是一个匿名的函数对象,它实际上也是一个”类”。不同的是,它唯一的方法就是operator(),也就是Lambda体,而数据则是[]中捕获的参数,这些参数就是”类”中定义的成员变量。

因此,Lambda函数既具有函数的部分特征,又具有类的部分特征。

也因如此,事情变得有趣起来。

Lambda具有的函数部分特征,让它具备了函数模板的能力;类部分特征,让它具备了类模板的继承能力。

此外,由于Lambda的类型是一个closure type(闭包类型),所以它还可以定义在函数内部,也可以当作回调函数使用。

如此这些,再加上泛型,使得泛型Lambda极具威力。

继而来看其新颖性。

当下大多数C++开发者对于Lambda的使用,还只是停留在函数部分,相当于只发挥了Lambda的基本能力。

实际上,Lambda的能力要比想象之中强大许多,在基本能力之上,还有些令人兴奋的能力。

这也是值得探索的地方。


3

以继承封装「变化」

不论写库或框架,都是在提炼「不变」的逻辑,将「变化」的逻辑交给用户配置。

可以是预留接口,让用户覆写接口;也可以是采用回调,让用户提供处理逻辑;抑或是提供配置文件,让用户填写变化的信息,再通过配置文件自动生成相应处理逻辑。

应对「变化」的方式很多,对于一些逻辑不甚复杂的变化,完全可以借助Lambda来实现。

Lambda天生可以在函数内部构建,自带一个operator (),这就相当于一个表示变化的接口,也就是用户可以手动配置的地方。

有了表示变化的地方,你再将不变的逻辑封装到一个类中,让该类继承自此Lambda。于是,你便可以在不变之中使用变化的逻辑。


4

Lambda重载

既然泛型Lambda具备函数模板的特性,那么它是否也可以重载呢?

回答是no。前文提到,Lambda是函数对象,它只有唯一的一个方法operator(),也就是Lambda体,Lambda体只有一个,你又如何能写多个呢?

但是,可以提供多个Lambda,也就是造就多个函数对象,让它们参数不同,再借助某种技巧,便可以从「视觉层面」实现Lambda重载。

说是「视觉层面」,意思是说它本质上不是函数意义上的那种重载,只是使用起来像是函数重载一样。

这个技巧就是overload pattern。

其实早在C++ DP.13-2 泛化实现Cyclic Visitor与强大的C++17 std::visit这篇文章中,就已经提到并使用了这个技巧。

这里再次拿出一节来介绍它,是因为我发现它比想象之中更加强大,可以说是泛型Lambda编程的一个核心技术。

它的实作很简单,只有两行代码:

1template<class... Tsstruct overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; };
2template<class... Tsoverloaded(Ts...) -> overloaded;

各位都知道,C++中代码越少往往并不意味着它有多简单,而是说明其「信息密度」较大。

此处,第一行首先使用了可变参数模板,使得overloaded可以继承自多个Lambda。其次使用Using-declaration,以防止重载之时产生歧义。

第二行则使用了C++17的CTAD(Class Template Argument Deduction),以推导出overloaded的类型。有何必要呢?这是因为你无法创建一个overloaded类型的对象,因为Lambda的类型不可知,你无法填写模板参数类型。借由CTAD,便可以为overloaded添加一个用户自定义的类型推导指引,这样编译器才能够推导出其类型。

现在,就可以使用「视觉层面」的Lambda重载了:

1const auto func = overloaded {
2    [](const int& n) { std::cout << "int:" << n << '\n'; },\
3    [](const std::string& s) { std::cout << "string:" << s << '\n'; }
4};
5
6func(2);
7func("im the lambda with parameter std::string");

这里又使用了「聚合初始化」,通过它可以直接调用基类中Lambda的构造器,从而避免为overloaded显式编写构造函数向基类传递参数。

总而言之,通过Lambda重载,便可以将许多相似的「变化逻辑」聚到一起,再以不同的参数访问这些不同的逻辑,从而以一种崭新的形式封装变化。


5

泛型Lambda实现对象工厂

这一节需要你对C++ DP.08 Factory Method这篇文章有些印象。

通过泛型Lambda,我们拥有了一种新的实现对象工厂的策略,简单而威力巨大。

代码如下:

1template<class... Tsstruct Fruit : Ts... { using Ts::operator()...; };
2template<class... TsFruit(Ts...) -> Fruit;

是的,就是使用了Lambda重载来实现Fruit。

然后再通过以下形式定义对象工厂:

1struct Apple { void print() std::cout << "apple print\n"; } };
2struct Pineapplce {void print() std::cout << "pineapple print\n"; } };
3
4// 定义对象工厂
5static constexpr auto FruitFactory = Fruit {
6    []<typename T>(const T& apple) { return new T; }
7};
8
9// 从工厂创建产品
10auto apple = FruitFactory(Apple{});
11apple->print();

此处第6行代码便使用了C++20的Template Lambda,由此我们可以创建任意类型的对象。

如此少的代码,实现的对象工厂可并不弱,而且这种实现方法更加轻便,除了无法动态产生,已经相当不错了。

6

泛型Lambda实现抽象工厂

这一节需要你对C++ DP.09 Abstract Factory这篇文章有些印象。

没错,根据泛型Lambda,实现抽象工厂也有了一种新的形式。

并且这种形式使用起来更加轻便,我已经决定使用这种方式替换okdp中的实现。

我们可以通过Lambda重载来定义抽象工厂:

1template<class... Tsstruct AbstractAIFactory : Ts... { using Ts::operator()...; };
2template<class... TsAbstractAIFactory(Ts...) -> AbstractAIFactory;

具体工厂的定义则更具有技巧性,实现如下:

1template<class Tclass U>
2concept IsAbstractAI = std:
:same_as;
3
4template<class T>
5static constexpr auto AIFactory = AbstractAIFactory {

6    []() requires IsAbstractAI { return new LuxEasy; },
7    []() requires IsAbstractAI { return new ZiggsEasy; },
8    []() requires IsAbstractAI { return new TeemoEasy; }
9};
10
11auto lux = AIFactory();
12lux->print();

你是否意识到了这种实现形式的强大之处?

这里用到的技术就更加多了,除了前面介绍的「聚合初始化」,还使用到了C++20的Concepts,这点我们已经写过文章了,相信大家不会太陌生。

此外,这里还用到了「变量模板」,想想前面几节的内容提到过范型Lambda虽然具有函数模板和类模板的部分特征,「数部分只能通过捕获参数。因此其实无法真正像类那样使用,而抽象工厂的抽象类又无法实例化,所以我们也无法像对象工厂那样使用。

于是,为了为它添上「类型的能力」,这里借助了变量模板。正因如此,你才能像类一样使用AIFactory。

不过事情尚未结束,此时「抽象工厂」就是AbstractAIFactory,通过Lambda重载完成的不错。「具体工厂」属于变化的部分,就相当于Lambda体,也就是这里为每个类型实现的Lambda函数。

问题在哪呢?巨大的重复!

消除这种类型的重复比较好的方法是借助「泛型宏」,这点在对象工厂那篇文章中介绍并使用过。

泛型编程是理念,模板是手段,宏同样是一种手段,需要根据具体情形具体分析,从而合理地进行选择。

不过此处的情形有些复杂,泛型宏的确可以很好的完成任务,但是工作比较复杂,已经涉及到泛型宏深入层次的技术了。

因此由于本篇主题不是泛型宏,篇幅有限,此处只展示下代码,不做进一步解释,大家可以自己看看。

代码如下:

#define _GET_OVERRIDE(_1, _2, _3, _4, _5, _6, NAME, ...) NAME

#define _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_0(LAM, AIType, LEvel)
#define _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_1(LAM, AIType, Level, AIName) LAM(AIType, Level, AIName)
#define _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_2(LAM, AIType, Level, AIName, ...) LAM(AIType, Level, AIName) _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_1(LAM, AIType, Level, __VA_ARGS__)
#define _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_3(LAM, AIType, Level, AIName, ...) LAM(AIType, Level, AIName) _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_2(LAM, AIType, Level, __VA_ARGS__)
#define _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_4(LAM, AIType, Level, AIName, ...) LAM(AIType, Level, AIName) _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_3(LAM, AIType, Level, __VA_ARGS__)
#define _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_5(LAM, AIType, Level, AIName, ...) LAM(AIType, Level, AIName) _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_4(LAM, AIType, Level, __VA_ARGS__)

#define _GENERATE_AI_LAMBDA(AIType, Level, AIName) []() requires IsAbstractAI { return new AIName##Level; },

#define CONCRETE_AI_FACTORY(AIType, Level, ...) \
    _GET_OVERRIDE("ignored", ##__VA_ARGS__, \
    _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_5, _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_4, \
    _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_3, _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_2, \
    _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_1, _CONCRETE_AI_FACTORY_BODY_0) \
    (_GENERATE_AI_LAMBDA, AIType, Level, ##__VA_ARGS__)

泛型宏的实现复杂是针对开发者来说的,对于使用者来说却是极为简单。

现在你可以非常简单地使用宏实现的「具体工厂」来替换前面的写法:

template<class T>
static constexpr auto AIFactory = AbstractAIFactory {

    // []() requires IsAbstractAI { return new LuxEasy; },
    // []() requires IsAbstractAI { return new ZiggsEasy; },
    // []() requires IsAbstractAI { return new TeemoEasy; }
    CONCRETE_AI_FACTORY(T, Easy, Lux, Ziggs, Teemo)
};

不论你有多少产品,都可以由该具体工厂轻松实现,是不是很强大!


7

总结

本篇内容应该是我写的涉及内容最广的文章之一了,光之前写过的文章就引用了多篇

所以对大家的要求也会有点高,可以多看几遍。

另外这篇的内容其实很“新”,首先组合使用了许多C++20特性,其次涉及了大量泛型编程技术,文章介绍的泛型Lambda技术现在还不是很流行,使用场景也是慢慢摸索出来的,比较成熟的想法都写在了本文之中。

但是它的用处我感觉还有很多,还在研究中,后续再和大家分享。

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