一. 什么是Lambda DQ a0S7I
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
eC71;"
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,Kg
'v
2G4OK7x
e?"XMY
X=Th
class filler G"~%[k
{ 6,D)o/_
public : Uz&XqjS
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} H%AF,
} ; fNkN
Oy,`tG0
JkiMrpkuk
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: MK*WStY
^71!.b%
lN<,<'&^.
VXpbmg!{S
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); P%- @AmO^_
)w.\xA~|
ND3(oes+;K
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 q!5 *)nw"
fCq
D02_ Jrg
0VOj,)K=
二. 战前分析 GOx+%`.R\
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。 gp/_# QVWC
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 8LH"j(H
kN99(
:())%Xu3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); qg(rG5kD@
/* --------------------------------------------- */ X9d~r_2&m<
vector < int *> vp( 10 ); /61P`1y(J
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); D{4Ehr "T
/* --------------------------------------------- */ JDIQpO"Qji
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); cc"L> XoK
/* --------------------------------------------- */ J#pl7q)^w
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); "gR W91
T
/* --------------------------------------------- */ 3*DwXH +
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); w=r3QKm#K
/* --------------------------------------------- */ lQnl6j
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); cjd Z.jR2
;g0p`wV
DKcg
*t,J4c
看了之后,我们可以思考一些问题: ?2#v`Z=L;
1._1, _2是什么? K1F,M9 0]
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。 !E0zj9 [ R
2._1 = 1是在做什么? -}h+hS50F
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。 le*1L8n$'
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 NvZ )zE
axRzn:f
k>N >_{\
三. 动工 Pd,+=
ML
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: NVTNjDF%s
cvf@B_iN9
<NLor55.]
#..-!>lY
template < typename T > ]T3dZ`-(
class assignment A=v^`a03I
{ S;582H9D
T value; `3v!i
public : I^5T9}>Q
assignment( const T & v) : value(v) {} RawK9K_1
template < typename T2 > 1>doa1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } x}w"2[fL
} ; *acN/Ca1
; U)a)l'y
1lxsj{>U
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 q*<Fy4j
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment NbD"O8dL~E
6Q&*V7EO
"]j GCo>9
`o9vE0^T<
class holder p8>.Q/4
{ 5 W<\J
public : ?:Y0#Btj
template < typename T > 3lyk/',
assignment < T > operator = ( const T & t) const _d8k[HAJ|
{ 1I?D$I>CV
return assignment < T > (t); }HM8VAH
} Z=ayVsJ3
} ; q<YteuZJ,
MI|51&m
vZdn
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: Fb<r~2
Cmq.V@
static holder _1; AC=/BU3<yc
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 {[~
!6&2(k
+fgF &.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); X7I"WC1ncz
而不用手动写一个函数对象。 }`oe<|
[TZlvX(E
Xwg|fr+p
FkdG@7Xf
四. 问题分析 lWv3c!E`
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。 _]"5]c&*3
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。 w1J&c' -
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 OIF0X!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 &&0,;r,-)
下面我们可以对这几个问题进行分析。 FuOP+r!H
Lx-ofN\
五. 问题1:一致性 Lp; {&=PIo
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?| 8{5Y%InL
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Hev S}L
vG(Gs=.U
struct holder {iP^51fy
{ |~mi6 lJ6
// M DnT
template < typename T > ZQT14. $L
T & operator ()( const T & r) const m6aq_u{W
{ Ni5~Buf
return (T & )r; la ~T)U7
} U!:Q|':=h
} ; D6iHkDTg
Y[AL!h
这样的话assignment也必须相应改动: Hno:"k?
:X>%6Xj?RV
template < typename Left, typename Right > Zho d %n3
class assignment mPNT*pAO
{ f>)k<-<yj
Left l; r\y~
:
Right r; oYNP,8r^
public : u>Z0ug6x
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Epm\=s
template < typename T2 > $oO9N^6yF
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } eRC
/Pr
} ; VGoD2,(b^
#>-_z
同时,holder的operator=也需要改动: AL/q6PWi
\UI7H1XDH
template < typename T > ]X,C9
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const }/ 6Q3B
{ ]HP
aM
return assignment < holder, T > ( * this , t); @O}%sjC1
} 0>Y3>vwSl
7Op6>i
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 uBLI!N-G
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 nB ?$W4
B\a-Q,Wf
return l(rhs) = r; 4,m
aA
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。 BN&^$1F((
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: t\nYUL-H
#C1u~db
template < typename Tp > B./Lp_QK
class constant_t 6P=6E
{ VLW<"7I 6\
const Tp t; -W(O~AK
public : )s6pOxWx
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} n?*Fr sZ
template < typename T > "nXL7N0
const Tp & operator ()( const T & r) const l~,5)*T
{ $LLkYOwI
return t; A-\OB
Nh
} <6`_Xr7)
} ; ?yfk d:WD
gF;i3OJg
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 q.0a0/R
下面就可以修改holder的operator=了 q3\
YL?
9L;fT5Tp7
template < typename T > K1 M s
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Xc;W9e(U
{ OosxuAC(
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Tj}H3/2
} J[rpMQ
fOEw]B#@
同时也要修改assignment的operator() @K; 4'b~
&*\wr}a!
template < typename T2 > p\66`\\l
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } sf4NKe2*
现在代码看起来就很一致了。 ftB-gItV
gT$`a
六. 问题2:链式操作 mGZ^K,)&OR
现在让我们来看看如何处理链式操作。 RnV
)*
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。 E7-il;`cKn
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。 g$<Sh.4A
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Md_S};!QN6
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct MG<kvx~2
bcFG$},k
template < typename T > _NQMi4 V(
struct result_1 E}K6Op;=v5
{ >[;+QVr;
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 2Z
4Ekq0@
} ; OnE#8*8
=n>&Bl-Bl
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: pIBL85Xe
1e.V%!Xk
template < typename T > m,KG}KX
struct ref XVcY?_AS#
{ ?|LR@M!S7
typedef T & reference; 4 {JoeIRyz
} ; :/
,h)h)|
template < typename T > ehB (?
struct ref < T &> 2TB>d+
{ ssGp:{]v/
typedef T & reference; $d2mcwh\
} ; Mz,G;x}
BH"f\oc
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: x5[wF6A
ZYr6Wn
template < typename T > mOG;[CB
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const \^O&){q(9
{ 1sgI,5liUs
return l(t) = r(t); K
TJm[44
} U^iNOMs?
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 K*^3FO}JG
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 (D5 dN\
8."B
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 r w(EI,G
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: D?ojxHe
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 +VxzWNs*JP
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 EM9K^l`
最后的布局是: wp7<0PP
Add [@YeQ{
/ \ [w&B>z=g$
Divide 5 .}
al s
/ \ +?r,Nn
_1 3 wWjZXsOd
似乎一切都解决了?不。 #[$^M:X.
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 5Fa.X|R~
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Fq\vFt|m<
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: S"+X+Oxp7?
Yxik.S+G
template < typename Right > 2wR?ON=Q
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const BZHba8c(
Right & rt) const )5n*4A
{ 6
axe
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); yOHVL~F
} s6=jHrdvv
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 X@;;
h
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 oPP`)b$x
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。 G`1!SEae
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。 66ULR&D8
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。 M&au A
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? fCC^hB]'
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: RLl*@SEi"
X0a)6HZ{
template < class Action > 8SH&b8k<<
class picker : public Action B?A]0S
{ +d/V^ <#
public : H!N`hEEj>
picker( const Action & act) : Action(act) {} m5i?<Ko@
// all the operator overloaded 'x/pV5[hQ
} ; KV&4Ep#
W}^X;f
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。 zsM3
[2E*
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: t5t!-w\M$+
g~ubivl2
template < typename Right > ~)ut"4
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const VINb9W}G[
{ hbfN1"z
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Tfsx&k\
} +UvT;"
{,;R\)8D
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2Kg-ZDK8
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。 p;nRxi7'
nulLK28q
template < typename T > struct picker_maker 3UXaA;
{ 7LotN6H
typedef picker < constant_t < T > > result; b{
M'aV
} ; $W_sIS0\z
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > OoIs'S-Z#
{ _z6_mmMp
typedef picker < T > result; (AIgW
} ; Ec2?'*s
:X+!W_xR
下面总的结构就有了:
(zIWJJw
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 #/"?.Z;SSH
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 )h0
3sv
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 85e!)I_
至此链式操作完美实现。 {pJf~
|f+`FOliP
{wK|C<K
七. 问题3 czG]rl\1
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 *3R3C+
L
|[+/ ]Y
template < typename T1, typename T2 > NC@L,)F
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ^uCZO
{ [N=v=J9
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8?l/x
} 8u|F %Sg
0(o{V:l%Z|
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ] Hiw+5n
PS:"mP7n
template < typename T1, typename T2 > ",,W1]"%
struct result_2 6B8gMO
{ Crg@05Z
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; vRI0fDu
} ; 1#Q~aY
4QZ|e{t
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? %M7EOa
这个差事就留给了holder自己。 woyn6Z1JQ
r)]8zK4;=
#_pQS}$
template < int Order > F-TDS<[S?
class holder; jA'7@/F/
template <> Od]B;&F
class holder < 1 > ]@P!Q&V #
{ 9]4 W
public : qmy3pnL
template < typename T > 4Pv Pp{Y
struct result_1 gcI?)F
{ bnzIDsw!Q
typedef T & result; !,Uzt1K:
} ; KAI/*G\z
template < typename T1, typename T2 > @h
E7F}
struct result_2 wg}rMJoG|
{ 4
Q<c I2|
typedef T1 & result; wAA9M4
} ; )<K3Fz
Bs
template < typename T > ;
8B)J<y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Oj]4jRew
{ #E;a;$p
return (T & )r; :k/Z|
} s2kom)
template < typename T1, typename T2 > 38zG[c|X
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /w/um>>K.
{ GNX`~%3KYc
return (T1 & )r1; -qs
R,H
} ]_js-+w6
} ; >HRL@~~Z
0
zn }l6OS
template <> qe_qag9
class holder < 2 > {oVoN>gp
{ Qj3l>O
public : 8{B]_:
-:
template < typename T > $ISx0l~
struct result_1 f?BApm
{ [AN= G!r
typedef T & result; qA>C<NL
} ; ?'/#Gt`
template < typename T1, typename T2 > [kKg?I$D@B
struct result_2 H[[#h=r0f
{ I7]qTS[vg
typedef T2 & result; 2qDyb]9
} ; ^@f-Ni\
template < typename T > :=oIvSnh
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L)QAI5o:3
{ ,sZ)@?e
return (T & )r; rp_Aw
} c 4
bo
template < typename T1, typename T2 > ;y]BXW&l&
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const QdK
PzjA
{ #!7b3 >}
return (T2 & )r2; Aq,&p,m03
} I~T~!^}U
} ; *5z"Xy3J
K06x7W
As+^6
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> >。 @p[ml m
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: X*<
!_3
首先 assignment::operator(int, int)被调用: i-M<_62c
(_n U}<y_i
return l(i, j) = r(i, j); ?656P=b)
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) /D,<2>o
Z" N}f
,
return ( int & )i; jn._4TQ*}
return ( int & )j; (Y~gItej
最后执行i = j; FB }8
可见,参数被正确的选择了。 8Y
P7'Fz
c+N\uG4
hOR1RB
xY@<