一. 什么是Lambda }>pknc?
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 [i21FX
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, 0rQMLx
:KSV4>X[%a
rKe2/4>0X
fy>{QC\
class filler aD<A.Lhy
{ v+W&9>
public : )al]*[lY
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} -]N
x,{
} ; 9tU]`f
''A_[J `>
2@n{yYwy
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: e&|'I"
@wGPqg
LiC*@W
YiXk5B0Uh
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ^]>O;iB?
(R[[Z,>w.
m4[ ;(1
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 |{z:IQLv
FZ{h?#2?
[SjqOTon{
CmP9Q2
二. 战前分析 gDQ^)1k
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 G)AqbY
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 MD}w Y><C
f&NgS+<K$
=J]&c?I
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ,Q3T
Tno
,
/* --------------------------------------------- */ 9a[9i}_
vector < int *> vp( 10 ); m<<+
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ]g#: KAqz
/* --------------------------------------------- */ fbyd"(V8r
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); a(m2n.0'>
/* --------------------------------------------- */ e[{0)y>=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); uP`Z12&
/* --------------------------------------------- */ `[y^ :mj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); NJ%P/\ C
/* --------------------------------------------- */ +C^nO=[E
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); _>o:R$ %}
w1FcB$
+r
u4*BX&
看了之后,我们可以思考一些问题: U45e2~1!O
1._1, _2是什么? Yj<a"
Gr4[
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 k90YV(
2._1 = 1是在做什么? W-$Z(Z
XL
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 E'f{i:O"~
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 vSGH[nyCY
^)470K`%)
/`Ug9,*
三. 动工 WqR&&gz
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: PF0_8,@U
'NbHa!
G~]Uk*M
q
M:=J^0
template < typename T > :;v~%e{k
class assignment [@_Jj3`4
{ cRC6 s8
T value; +X\FBvP&
public : c^5~QGuQ
assignment( const T & v) : value(v) {} vJLK,[
template < typename T2 > s2a{>II6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } {Ea
b
j
} ; ,=uD^n:
W Tcw4
;_XFo&@
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 nd`1m[7MNu
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment FBG4pb9=~
]HbY
av(6wht8
3RUy,s
class holder
>^O7
{ \Zb;'eDv
public : ImA @}:
template < typename T > pj8=wc h
assignment < T > operator = ( const T & t) const iR HQ:Y!
{ b;L\EB
return assignment < T > (t); ~kV/!=
} H[T?\Lq
} ; d.aS{;pse
`T1
g%aYDl
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: W
PC]%:L"
.zf~.R;>
static holder _1; gZVc 5u<
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 &L3M]
2V]UJ<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [=C6U_vU
而不用手动写一个函数对象。 v<k?Vu
)J=! L\
m1b?J3
^ G]J ,+
四. 问题分析 -$\y_?}
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 }YQX~="
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 mb1FWy=3
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 aI'&O^w+
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 3s*mbk[J
下面我们可以对这几个问题进行分析。 A]*}HZ,
fT|.@%"vc
五. 问题1:一致性 +tB=OwU%0
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ]IaMp788
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ~"gA,e-)
rV.}PtcFY
struct holder C-xr"]#]
{ @b\$ yB@z
// `&qL(66
template < typename T > $yP*jO4i
T & operator ()( const T & r) const 5; C|
{ VCYwzB
return (T & )r; ,};&tR
} Y!xF;a
} ; Fk7?xc
"> ypIR<
这样的话assignment也必须相应改动: .Cv6kgB@c
=<C:d
template < typename Left, typename Right > XE RUo
class assignment 50h!
X9
{ 3F"lXguS
Left l; e
v}S+!|U
Right r; + SzU
public : 3qgS&js 7
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} uuEV_ "X
template < typename T2 > A.F%Ycq
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } a9e>iU
} ; {'flJ5]
4X/-4'
同时,holder的operator=也需要改动: 3=#<X-);
E#RDqL*J
template < typename T > !"AvY y9
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const h#I>M`|
{ $V;i
'(&7
return assignment < holder, T > ( * this , t); 4IK( 7
} lM`2sy
2g
`o
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ]2A^1Del
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ;7*[Bcj.
>fG3K`
return l(rhs) = r; 6{K,c@VFd
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 2YL?,uLS
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: U)TUOwF
KRbvj
template < typename Tp > c2SO3g\"i
class constant_t D_ 2:k'4
{ ]|pe>:gf'
const Tp t; >IafUy
public : te`$%NRl
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} W ~<^L\Lu
template < typename T > sFKX-S~:
const Tp & operator ()( const T & r) const AOZP*\k
{ Y;eZ9|Ht9
return t; [|wZ77\
} Z{.8^u1I
} ; NSMyliM1Y
ZmqKQO
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 wVXS%4|v
下面就可以修改holder的operator=了 &<g|gsG`
Jumgb
template < typename T > uh_RGM&
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const *tFHM &a
{ FgnTGY}
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); t^-d/yKt0w
} R+:yVi[F]U
_%Bi: HG0
同时也要修改assignment的operator() =[ 46`-_
z|uDy2
template < typename T2 > cU (D{~
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Y|m+dT6
现在代码看起来就很一致了。 j3oV+zZ49
%Qgw7p4
六. 问题2:链式操作 hW')Sp
现在让我们来看看如何处理链式操作。 h8j.(
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 RU{twL.B
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ? V1*cVD6i
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 T~?Ff|qFC
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct X #dmo/L8
phkwN}6
template < typename T > A|[?#S((]
struct result_1 @u+]aI!`-
{ r r %V.r;2
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; G>_*djUf
} ; ]#<4vl\
lBE=(A`
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 7Die
FZ?
eIF5ZPSZi
template < typename T > ?,Xw[pR
struct ref 5pG}Yk_(x
{ w/<L
Ag
typedef T & reference; gaxsv[W>^
} ; +^ac'Y)A
template < typename T > #Pau\|e_
struct ref < T &> uc{Ihw
{ g/_5unI}u
typedef T & reference; ~At7 +F[
} ; 2W(s(-hD
I|!OY`ko
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 8%mu8l
MKCsv+
template < typename T > Gu,wF(x7A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const o[4}h:> dq
{ l4YbK np]
return l(t) = r(t); ztY}5A2`
} DK~xrU'
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ~Cttzn]pR
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 @;4zrzQi7
G>=*yqo
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 octL"t8w
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: C&f=
ywi0
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 l30EKoul)
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Wi<m{.%\E
最后的布局是: =s{> Fsm1
Add *Q.>-J<S
/ \ =Bey gT^
Divide 5 CW K7wZM
/ \ [aLI
'
_1 3 @bLy,Xr&
似乎一切都解决了?不。 B@))8.h]
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 2.y-48Nz
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 dQX6(Jj
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: :=V[7n])
v~C
Czg
template < typename Right > :4w ?#
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const A@('pA85
Right & rt) const 3&4(ZH=
{ }6~hEc*/"
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); M0"_^?
} y<3-?}.aZ
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 e{H=dIa+
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 V &T~zh1
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 MJ)RvNF
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。
8W7J3{d
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 I][*j
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? v/plpNVp>
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: >6-`}G+|
hfB%`x#akQ
template < class Action > ty!`T+3
class picker : public Action Qel9G($=
{ E&w7GZNt
public : I
34>X`[o
picker( const Action & act) : Action(act) {} a-tmq]]E
// all the operator overloaded G.B2('
} ; }>|s=uGW
/maJtX'
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 wQf-sk#
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ?j.,Nw4FC
R\f+SvE
template < typename Right > ]/6z;
~3U
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const IP pN@
{ e`s
~.ZF
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4J?0bZ
} _LnpnL:
u#~RkY7s
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > (WJRi:NP?
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 Tidn-2L73O
t?gic9
q
template < typename T > struct picker_maker T!{w~'=F
{ fOrH$?
typedef picker < constant_t < T > > result; kZ:ZtE
} ; f~[7t:WD*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > t@;p
{ ;(%QD
3 >
typedef picker < T > result; ~?}Emn;t
} ; gH vZVC[b
]EAO+x9
下面总的结构就有了: i]4I [!
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 !qg`/y9
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 q2j{tP#
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >=>2m2z=
至此链式操作完美实现。 v?$:@9pAk
^ytrK
Q
JbbzV>
七. 问题3 "sCRdx]_
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 qDIZJh
U)gH}0n&
template < typename T1, typename T2 > =WATyY:s
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const _VN?#J)o
{ 3"i-o$P
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); HC8e>kP9b
} yyJf%{
]m<$}
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: I236RIq
(ZizuHC
template < typename T1, typename T2 > F>l]
9!P|m
struct result_2 RqrdAkg
{ P@B]
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; x9g#<2w8
} ; X_h}J=33Q
cT,sh~-x,
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? bE. .P&"
这个差事就留给了holder自己。 4$<JHo
@.
{\5
~
7s!VR
template < int Order > q9_OGd|P
class holder; # W']6'O
template <>
teF9Q+*~
class holder < 1 > \b x$i*
{ kJ}`V
public : ~0$&3a<n1
template < typename T > FZlWsp=
struct result_1 oc`H}Wvn
{ F41=b4/
typedef T & result; 3 0H?KAV
} ; yf+)6D -9n
template < typename T1, typename T2 > oPM96
(
struct result_2 o*H<KaX
{ bd-L`={j
typedef T1 & result; 7NGxa6wi
} ; i.m^/0!
template < typename T > 5;EvNu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L4HI0Mx
{ /4Gt{ygSr
return (T & )r; 5j(k:a+!H
} R/YqyT\SM
template < typename T1, typename T2 > 5]0<9a
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const %h@EP[\
{ &8lZNv8;(p
return (T1 & )r1; e7 o.xR
} L,!?Nt\
} ; GTd,n=
#6=
template <> rILYI;'o
class holder < 2 > { <