一. 什么是Lambda ~%2pp~1K
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Q(o!iI:Gts
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, L-9~uM3@\
A%2:E^k(s
+GAf O0
RO3oP1@B
class filler Ve/xnn]'
{ ${8?N:>t
public : 0=="^t_
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} w\19[U3
} ; n\ Hs@.
2+Wzf)tB
dHk{.n^p
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: )=DGdIEt
W#Qmv^StZ
@K:N,@yq
A4QcQ"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); "p3_y`h6+
_e7-zg$/
c)7j QA
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 DE
IB!n
?J,AB #+
d
HJhFw
cc44R|Kr$$
二. 战前分析 9RwawTM
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。 Ap$y%6
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 {>bW>RO)
-!({BH-M_
j:bgR8%e
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &Z^l=YH,
/* --------------------------------------------- */ dC1V-x10ju
vector < int *> vp( 10 ); n& $^04+i
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); c
'\SfW<
/* --------------------------------------------- */ |([R'Orm
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); :3$}^uzIq
/* --------------------------------------------- */ %5\3Aw
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); *XWq?hi
/* --------------------------------------------- */ -]:GL>b
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); tMj1~
R
/* --------------------------------------------- */ Q# ?wXX47
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); q:8_]Qt
u? fTL2~
#?B%Ja%
;W
N:"C+a(
看了之后,我们可以思考一些问题: u
z\0cX_
1._1, _2是什么? q/1Or;iK
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。 z}Jr^>
2._1 = 1是在做什么? NcM>{{8
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。 j6ut}Uq
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。 B%\g kl
5HS~op2n/
&2I*0
三. 动工 _KD5T4FZR
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 4l8BQz}sb
GYB+RU}],
9F;S+)H4
q|)Q9+6$+
template < typename T > ]+H?@*b`
class assignment 9tg)Mo%
{ /( 6|{B
T value; W
>(vYU
public : +' oX
assignment( const T & v) : value(v) {} IK^~X{I?
template < typename T2 > !8tS|C#2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } insY(.N
} ; +[. Yy
x6'^4y])
q1k{
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 _w ]4~V9
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment YH:8<O,{-
FnHi(S|A
8X?>=tl
%G3sjnI;l
class holder )fU(AXSP
{ kD.pzxEM
public : v$w++3H
template < typename T > eUO9a~<
assignment < T > operator = ( const T & t) const Z%gx%$
{ >P. 'CU
return assignment < T > (t); f0Hq8qAF;^
} y:}sD_m0W
} ; 99 wc
sNU}n<J-
mE#nU(+Ta
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:
s* jfMY
]qw0V
static holder _1; gd^Js1Z
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 {b!7
.Cd=
qS8B##x+=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); >[a<pm!
而不用手动写一个函数对象。 'i>xf
^
CL7Nr@
~0-g%C?R
%3Bpn=k>
四. 问题分析 vi {uy
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。 CV.+P-
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。 _`a&9i
&
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 .gYt0raSY
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 '5H4z7)
下面我们可以对这几个问题进行分析。 K3p@$3hQ
+3^NaY`Y
五. 问题1:一致性 gX} g
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| "<l<&
qp
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 s\0K o1
fUcLfnr
struct holder Ttv9"z
{ qSiWnN8D
t
// ,-rB=|w
template < typename T > (a{ZJI8_
T & operator ()( const T & r) const r[HT9
{ Rf[V)x
return (T & )r; M$&>5n7
} {K7YTLWY
} ; Rrqg[F +
$3\yf?m}q
这样的话assignment也必须相应改动: .2X2b<%)
QB 77:E
template < typename Left, typename Right > [BXyi
class assignment dbO#
{ yr4ou
Left l; e.X@] PQJQ
Right r; zLek&s&-
public : FDLd&4Ex
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} V-vlTgemwc
template < typename T2 > <TjBd1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } zk>h u<_
} ; |< N frz
NfF~dK|
同时,holder的operator=也需要改动: koH4~m{
%D^bahf
template < typename T > .C5@QKU
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const T"W9YpZ
{ %ejeyc
return assignment < holder, T > ( * this , t); 3Xdn62[&
} #AncOo
zrx JN
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。 *]{=8zc2
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 EUwQIA2c8N
r'd/qnd
return l(rhs) = r; }[,3yfiX
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。 ~n]NyVFP
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: sx-F8:Qa
c)3O/`
template < typename Tp > ahp1!=Z-=
class constant_t u33zceE8
{ FaWl,} ]
const Tp t; 37KU~9-A
public : T}2:.Hk:N
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ; J2-rh
template < typename T > $-w5o`e
const Tp & operator ()( const T & r) const eU~?p|Np
{ ve%l({
return t; X>/K/M
} 46dc.Yi
} ; CZfE
|T~
%O /d4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 0UD"^zgY
下面就可以修改holder的operator=了 S.]MOB dt
LR\zy8y]
template < typename T > <_f`$z
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const xOM_R2Md
{ jZ/+~{<
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); )>-77\
} m(8jSGV
cxAViWsf
同时也要修改assignment的operator() [q|?f?Zl
-q'xC: m
template < typename T2 >
pESB Il
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ERUs0na]
现在代码看起来就很一致了。 muL>g_H
ox!|)^`$_
六. 问题2:链式操作 MZ;"J82p
现在让我们来看看如何处理链式操作。 3'?h;`v\Lo
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 gJ<@;O8zu0
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 "Czz,;0
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 >2]Eaw&W
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 3*CzXK>`M&
~AEqfIx*^&
template < typename T > &&]"Y!r -
struct result_1 l9M#]*{
{ f}L>&^I)
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 2neF<H?^o
} ; `E./p
X{0ax.
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 4]Un=?)I
J0IdFFZ|w
template < typename T > ]&3s6{R
struct ref n/KI"qa]9
{ s|{^ }4{
typedef T & reference; ,Hik (22
} ; yRgDhA
template < typename T > hN>('S-cq
struct ref < T &> o{ ,ba~$.w
{ 1Qp1Es<)
typedef T & reference; o1fyNzq<
} ; ^yn[QWFO
"-0pz\a
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ?#VP)A
r6O7&Me<
template < typename T > oyKt({
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const "sX[p
{ (5f5P84x
return l(t) = r(t); USnD7I/b
} _|^&eT-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。 Z-? Iip{
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 O4b-A3:
S7Iu?R_I
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 ~aauW?
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: gTmUK{y'
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 dVj'
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ~xlMHf
最后的布局是: +LQs.*
Add :=iM$_tp'
/ \ W(u6J#2
Divide 5 ZbZAx:L
/ \ ;y?D1o^r8W
_1 3 zJy 89ib'
似乎一切都解决了?不。 jza}-=&+e
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 }\`-G+i{W
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 '?vgp
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: T>%uRK$
0%A(dJA6
template < typename Right > ;EE&~&*w
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const wB1|r{
Right & rt) const U&Sbm~Qi
{ K=!ZI/+ju
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2-cU -i4
} 8ACYuN\
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 HdY3DdC%q
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。 !SO$k%b}!
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 j &0fC!k
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 =E"kv!e
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 |`q)/ 08b
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? % L %1g
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: iS:PRa1
rr07\;
template < class Action > Rktn/Vi
class picker : public Action <u x*r#a!d
{ | `)V^e_
public : %/6e"o
picker( const Action & act) : Action(act) {} _ RT"1"r
// all the operator overloaded JucxhjV#,
} ; i)ES;b4
HYI1 o/}
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 764}yV>
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: f>wW}-
7fN&Q~.
template < typename Right > #g-*n@
1
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const L?D~~Jb
{ [o[v"e\w
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); v'bd.eqw
} njwR~ aL`|
[A%e6
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > O=#/DM;
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 &,Zz
-u3SsU)_%N
template < typename T > struct picker_maker cDQw`ORP*g
{ G0 nH Z6
typedef picker < constant_t < T > > result; LDi ezi
} ; *OGXu07 !
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Gwrx)Mq
{ Mc$v~|i6
typedef picker < T > result; \MFWK#W
} ; ,Zcx3C:#
tXG4A$(2&
下面总的结构就有了: ~Q$c!=
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。
f_5R!;
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。 hPqapz]HcP
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 z)<pqN
至此链式操作完美实现。 4|@FO}rK[l
0LHiOav
RESGI}u
七. 问题3 "13
:VTs[5
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。 s:jL/%+COZ
;FgEE%
template < typename T1, typename T2 > [Tb3z:UUvf
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const tEWj}rX
{ N5w]2xz!
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); )q]j?Z.
} jKCqH$
a9@l8{)RX
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: l=-dK_I?
\")YKN=W
template < typename T1, typename T2 > wkZ2Y-#='
struct result_2 1z};"A
{ WJFTy+bD
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; qq9tBCk
} ; ^K77V$v
d$?n6|4
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? P#2TM
这个差事就留给了holder自己。 l&^[cR
WfjUJw5x"s
c;~Llj
P
template < int Order > RY/ Z~]
class holder; %`T^qh_dE
template <> H;7H6fyZ
class holder < 1 > 'xrbg]b%
{ J>|:T
public : eUw;!Du
template < typename T > ]MA)='~
struct result_1 I{g2q B$6
{ rgZrE;*;
typedef T & result; 8^"|-~#<
} ; kFa?q}47
template < typename T1, typename T2 > NMY!-Kv 5
struct result_2 \7tvNa,C
{ 7/OOq=z
typedef T1 & result; U#1yl6e\I
} ; ?oDfI
template < typename T > nu9k{owB T
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 4a \+o]
{ i K[8At"Xo
return (T & )r; x2&