一. 什么是Lambda 9y"@(
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 nksLWfpG?B
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, ;,%fE2c
gCB |DY
@niHl
Sw ig;`
class filler B|C2lu
{ c(xrP/yOwi
public : Ng2twfSl$
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Z 2V.3
} ; L>Fa^jq5
86=}ZGWd
Ga^"1TZ x
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:
iu=7O
,/Z%@-rF
;n*.W|Uph
Yi%;|]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); KPKt^C
kTOzSiq
lZ]ZDb?P
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 y51e%n$
:!WHFB
o 8
u}macKJmp\
Z>k#n'm^z
二. 战前分析 "o-zy'I
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。 $r@zs'N
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 E Nhl&J
"jKY1*?
-b9\=U[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @=}0`bE
/* --------------------------------------------- */ l<58A7
vector < int *> vp( 10 ); [}E='m}u9+
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); `EA\u]PwQ
/* --------------------------------------------- */ 61C7.EZZ;
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Bu~]ey1
/* --------------------------------------------- */ P~ >OS5^
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); "c%0P"u
/* --------------------------------------------- */ =(j1rW!
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); &[?\k>
/* --------------------------------------------- */ :^6y7&o[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); *K8$eDNZ
U)]oO
/K@XzwM
;PF<y9M
看了之后,我们可以思考一些问题: &R'c.
1._1, _2是什么? aFX=C>M
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。 7WLy:E"
2._1 = 1是在做什么? uP)'FI
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。 BUDi&|,
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。 *5C7d*'
g[' ^L+hd
8Z8gRcv{p
三. 动工 2j[=\K]
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: C!<Ou6}!b
XPXIg
)4 e.k$X^
_YhES-Ff
template < typename T > l` lk-nb
class assignment {T$9?`h~M
{ tTl%oN8Qw
T value; M6"PX *K
public : U`(ee*}o
assignment( const T & v) : value(v) {} k_#ak%m/
template < typename T2 > t%0VJB,Q2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } tKOmoC
} ; {L{o]Ii?g
1hY{k{+o
mp1@|*Sn
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Ju@c~Xm
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment X]TG<r
,q`\\d
iHM%iUV
`KoV_2|
class holder ~^:A{/
{ T4Uev*A
public : JYI,N
template < typename T > {UI+$/v#
assignment < T > operator = ( const T & t) const *w`sM%]Rq
{ Z"xvh81P
return assignment < T > (t); 2*& ^v
} q
'yva
} ; A:%`wX}
-l*|M(N\
&jJL"gq"
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: 6Pl<'3&
y'q$|
static holder _1; AO4U}?
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ,?%Zc$\LW
b4 6~?*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); `Y$4 H,8L
而不用手动写一个函数对象。 *~e?TfG
eF$x 1|
& '`g#N
F v2-(
四. 问题分析 "%w u2%i
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。 s/#!VnU6
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。 By!o3}~g
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 cKI9#t_
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 'rkdZ=x{
下面我们可以对这几个问题进行分析。 zR:L!S
F@KGj|
五. 问题1:一致性 &K#M*B,*p
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?| ""G'rN_=Bi
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 .uZ3odMlx
oJz^|dW
struct holder +mj y<~\
{ $qnZl'O>
// QA`sx
template < typename T > 7>%8eEc
T & operator ()( const T & r) const `*R:gE=
{ g]H<}4lgq"
return (T & )r; rq].UCj
} BX7kO0j
} ; Cl7xt}I
T.BW H2gRP
这样的话assignment也必须相应改动: zTSTEOP}%Y
XNkn|q2
template < typename Left, typename Right > UB@+ck
class assignment pz*3N
{ F^;ez/Gl
Left l; |u<7?)mp
Right r; R&k<AZ
public : 8OU\V5i[,q
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 7`'Tb p
template < typename T2 > kn4`Fa;)O
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } }&J q}j
} ; 583|blL
'-~~-}= sJ
同时,holder的operator=也需要改动: 1>h]{%I
u&7[n_
template < typename T > <\^8fn
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const }Zn}
{ aX'*pK/-
return assignment < holder, T > ( * this , t); sDlO#
} aEeodA<(
Z@!+v19^
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。 mz0X3
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 /nA{#HY
tT_\ i6My
return l(rhs) = r; 9W2Vo [(
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。 5U$0F$BBp
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: '\iCP1>+S
)3EY;
template < typename Tp > 0aB;p7~&
class constant_t igPX#$0XU
{ W^l-Y%a/o
const Tp t; oZ|\vA%4^
public : oap4rHk}
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} `d}2O%P
template < typename T > ukyZes8o K
const Tp & operator ()( const T & r) const /*mI<[xb
{ /h3RmUy
return t; h S&R(m
} +cN8Y}V
} ; X
l5 A
'h
1mG-}
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 kt:!
7
下面就可以修改holder的operator=了 vl:KF7:#m
EaN6^S=
template < typename T > ZUd-<y
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const }o`76rDN
{ (f"4,b^]
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); _q-*7hCQ`
} [{,1=AB
SO!8Di
同时也要修改assignment的operator() C LRdm^B
SwMc
pNo
template < typename T2 > XwaXdvmK
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } *$g-:ILRuZ
现在代码看起来就很一致了。 uVrd i?3
/k3:']G,s
六. 问题2:链式操作 oCz/HQoBk
现在让我们来看看如何处理链式操作。 pv|G^,>#
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。 <RL]
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。 (9dl(QSd
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。 DB,J3bm
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct /%^#8<=|U
3[*}4}k9
template < typename T > H4+i.*T#
struct result_1 D*d]aC
{ ]t"Ss_,
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; PEZ!n.'S
} ; =UWI9M*sz
|yPu!pfl
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: I; rGD^
Cp0=k
template < typename T > F:S}w
struct ref nU7[c| =
{ w``U=sfmV
typedef T & reference; >^3i|PB
} ; Qo|\-y-#
template < typename T > PCtzl)
struct ref < T &> k!Y, 63V=
{ 7@W>E;go
typedef T & reference; X"eYK/7
} ; r9?Mw06Wc5
EfT=?
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: h/Y'<:
N"ST@/j.A
template < typename T > tQ#n${a@f
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 1?l1:}^L
{ YGNP53CU
return l(t) = r(t); N8df8=.kw
} "3J}b?u_[
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 _|`S3}q|d
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ;!Fn1|)
,eS)e+yzc2
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 k+*u/neh
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: "" EQE>d
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 -XG@'P_
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 GTHt'[t@;
最后的布局是: R=\IEqqsi
Add ~a2}(]
/ \ C;yZ
Divide 5 #GFr`o0$^
/ \ )boE/4
_1 3 -mh3DhJ,
似乎一切都解决了?不。 'V>-QD%1
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。 M"L=L5OH-
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。 RxQ *
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: /yZcDK4
Dw"\/p:-3
template < typename Right > ;n;p@Uu[
b
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Q/Rqa5LI:
Right & rt) const h{qgEIk&
{ +b6v!7_
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); yB!dp;gM{
} x4O~q0>:Le
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 kq-) ^,{y
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。 ! 8b^,
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。 B33\?Yj)
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。 8{ I|$*nB
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 /$%%s=@IL
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? @2#lI
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: m4Zk\,1m.|
~}Pfu
template < class Action > P$,Ke<
class picker : public Action [#iz/q~}
{ NHE18_v5
public : !VzC&>'v^9
picker( const Action & act) : Action(act) {} ~$J2g
// all the operator overloaded 0"SU_jQzv
} ; Iga024KR
w32y3~
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。 fN2lLn9/u
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: y1#1Ne_
7}mFL*
template < typename Right > T
u'{&
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const :23P!^Y
{ !5N.B|Nt
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); St^5Byd<
} xyxy`qR A
@(lh%@hO
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 7|H$ /]
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。 }QmqoCAE~m
{.]7!ISl5
template < typename T > struct picker_maker xYB{;K
{ ;F Eqe49
typedef picker < constant_t < T > > result; [fyLV`
} ; K)P%;X
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Tj- s4x
{ Alq(QDs
typedef picker < T > result; A=>u
1h69
} ; D m9sL!
Xwtqi@zlE
下面总的结构就有了: jiC>d@~y
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。 v` r:=K
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。 phz&zlD
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 .S4u-
至此链式操作完美实现。 |l!aB(NW
7[wPn`v2
yDh6KUK
七. 问题3 D/' dTrR
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。 {c0`Um3&>
E(|>Ddv B&
template < typename T1, typename T2 > 8cQ'dL`(
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const yh=N@Z*zP
{ 8b=_Y;
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); eV~goj
} K<J9~
DaVa}
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: LIrb6g&xj_
T^q
0'#/
template < typename T1, typename T2 > .G\7cZ
struct result_2 : E?V.
{ #A.@i+Zv
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; tf G@&&%9
} ; fc@A0Hf
13wE"-
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? 048kPXm`
这个差事就留给了holder自己。 DV{=n C
M^I(OuRMeI
hv+zGID7
template < int Order > :Tq~8!s
class holder; [/ZO q
template <> :hA#m[
class holder < 1 > ~)'k 9?0
{ Q@H V- (A
public : 0CvUc>Pj`"
template < typename T > -{A<.a3P}=
struct result_1 "7`<~>9t.
{ .|=\z9_7S8
typedef T & result; &.ACd+Cd
} ; <-0]i_4sK
template < typename T1, typename T2 > 92-I~
!d
struct result_2 wNX]7wMX
{ ^C%<l(b
typedef T1 & result; \Og+c%
} ; B-ESFATc
template < typename T > cj@koA'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const DL.!G
{ 'f|o{
return (T & )r; 3M=
} B1Oq!k
template < typename T1, typename T2 > \[nut;
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const =Runf
+}
{ LHmZxi?
return (T1 & )r1; <6=c,y
} C.QO#b
} ; /L#?zSt
mcok/,/
template <> L8n|m!MOD
class holder < 2 > y_9Ds>p!T
{ ~_ a-E
public : F&Hrk|a
template < typename T > F<w/PMb
struct result_1 b>$S<td
{ !%>7Dw(kt
typedef T & result; bN88ua}k{
} ; iR0y"Cii
template < typename T1, typename T2 > O1kl70,`R
struct result_2 ]{L jRSV
{ +^<](z
typedef T2 & result; cGD(.=
} ; \(T/O~b2
template < typename T > ,=N.FS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const k+4#!.HX^
{ Cls%M5MH
return (T & )r; 07 $o;W@
} '3H_wd
template < typename T1, typename T2 > 4`R(?
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const a}uSm/S
{ .[ mRM
return (T2 & )r2; 2px|_)i
} X8`Sf>
} ; ]:\dPw`A
}d }lR
8.~kK<)!
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 E~:x(5'%d
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: %PJQ%~
A
首先 assignment::operator(int, int)被调用: -!9G0h&i|
nxHkv`s k
return l(i, j) = r(i, j); Y4(
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) =I~mKn
E.>4C[O
return ( int & )i; 2Hv+W-6v
return ( int & )j; yiI1x*^
最后执行i = j; >"<Wjr8W!$
可见,参数被正确的选择了。 !g.?
qjc4.,/
RX5dO%
8KNZ](Dj
cs'{5!i]
八. 中期总结 4'Zp-k?5`
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: OUXR
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 rXU\
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ?R#)1{(8d~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Xs?o{]Fe
<