一. 什么是Lambda
#;KsJb)N.
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?uL eFD
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, uzr\oj+>
k=ytuV\
S::=85[>z
G@ \Pi#1
class filler 32)tJ|m
{ J4$!
68
public : q>!L6h5]t
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} v6(E3)J7
} ; CB\{!
jH;Du2w
`6=-WEo
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: =qVP] 9
~#K@ADYr
:a[Ihqfg
tA.`k;LT
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); L71!J0@a#
V<Z'(UI
-T@`hk`
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 6=_~0PcY
PyC0Q\$%
1%[_`J;>Z
X@N$Z{
二. 战前分析 q<vf,D@{ !
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。 I&yVx8aH}
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 fK}h"iH+K
-Yi,_#3{
)Q;978:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); KxGX\
/* --------------------------------------------- */ {2d_"lHBt
vector < int *> vp( 10 ); vT^Sk;E
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ;r\(p|e
/* --------------------------------------------- */ NcS.49
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ;Y9=!.Ak0y
/* --------------------------------------------- */ zk_Eb?mhwV
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); :Sg&0Wj+#j
/* --------------------------------------------- */ .>g1$rj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); R9vT[{!i
/* --------------------------------------------- */ $"JpFT
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); NR%Y+8^M
,Z9>h[JF
&jA\hg#9
*hhmTc#
看了之后,我们可以思考一些问题: /hW d/H]
1._1, _2是什么? !\ND(
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 V)M1YZV{
2._1 = 1是在做什么? 5X.ebd;PT
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 % ~]xuP[
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Pf_F59"
4p`XG1Pt
#EO1`9f48x
三. 动工 e9pOisZ;8
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: l*aj#%ha
yGBQ0o7E
I_)*)d44_
fN%jJ-[d
template < typename T > +Lm4kA+aE5
class assignment ZM#=`k9
{ `|O yRU"EK
T value; 3k$[r$+"
public : 2/P"7A=<
assignment( const T & v) : value(v) {} Et2JxbD
template < typename T2 > kT IYD o
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } +%>:0mT
} ; n^(A=G
km5~Gc}
bKVj [r8D~
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %y[1H5)3<
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment A?!I/|E^;
7Ey#u4Q
t G.(flW,
m4w')r~
class holder )emOKS
{ t@oK~ Nr
public : `iKj
template < typename T > * A|-KKo\
assignment < T > operator = ( const T & t) const W`rNBfG>
{ #G]! %
return assignment < T > (t); FyL_xu\e
} e;YW6}'}
} ; mABe'"8
_W!p8cB
\uOdALZ
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: h[tix:
-<_$m6x"A
static holder _1; a~LC+8|JW
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 @DAF 6ygs
E:E4ulak
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 0[A9b,MMVO
而不用手动写一个函数对象。 &NZfJs
t/o N>mQG
"VxWj}+]
,{eUP0]
四. 问题分析 h&@R| N
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。 |aToUi.Q%
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。 ygZ #y L
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 t%1 ^Li
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 q>:$c0JY
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ~}ml*<z@
dj6*6qX0'^
五. 问题1:一致性 4pU>x$3$
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?| D<{{ :7n
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ov#7hxe
N[|Nxm0z/C
struct holder g+8hp@a
{ 1n*W2:,z
// ~`#-d ^s:
template < typename T >
OK|qv [
T & operator ()( const T & r) const " K*
{ ?/*~;fM
return (T & )r; -C7]qbT
}
} zW |=2oX2
} ; lG<hlYckv
I,6/21kO
这样的话assignment也必须相应改动: p4u5mM
"I-
w
template < typename Left, typename Right > #!J(4tXny
class assignment ^cvl:HOog
{ Br>Fpe$q4
Left l; &sVvWNO#2
Right r; yI{5m^s{
public : )
iQ
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} _>o-UBb4]T
template < typename T2 > w2(guL($
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ]1-z!B 4K
} ; 8
(jUe
+ bhym+
同时,holder的operator=也需要改动: ewsKH\#
@MR?6 n*k
template < typename T > !hxIlVd{
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const X*oMFQgP
{ *DI)?
return assignment < holder, T > ( * this , t); v`q\6i[-
} XkKC!
g\oSG)
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。 3#kitmV
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 g\A
y`.s
YMpf+kN
return l(rhs) = r; \6|/RFT
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。 ,FQdtNMap
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 0IM8
"R
#k~R
template < typename Tp > woH)0v
class constant_t w[Gh+L30=5
{ 72oWhX=M%
const Tp t; s0UFym8
public : qd@&59zSh
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} )4Q?aMm
template < typename T > o;F" {RZ
const Tp & operator ()( const T & r) const a5'#j35
{ |Yi)"-
return t; [BbutGvj
} 3*_fzP<R
} ; A^fjfa);V
=V+I=rqo
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 <g8K})P
下面就可以修改holder的operator=了 (AY9oei>
"L"150Ih
template < typename T > {43yb_B(
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const i?;r7>
{ kQdt}o])
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); wz8PtfZ
} }$su4A@0
OV CR0
同时也要修改assignment的operator() 3cl9wWlJ_E
1pp -=$k
template < typename T2 > WUdKLx%F
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } l":c
现在代码看起来就很一致了。 )bO BQbj
5R MS(
六. 问题2:链式操作 $e%2t^ i.g
现在让我们来看看如何处理链式操作。 |V[9}E:
h
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。 [K~]&
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。 3-s}6<0v1
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。 9W*+SlH@!
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 6Q|k7*,B
$*[{J+t_
template < typename T >
dBCbL.!
struct result_1 |BMV.Zi
{ @# P0M--X
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; vP!GJX&n5
} ; mumXUX
]pA(K?Lbg
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: :
DG)g3#
H( -Y
template < typename T > rk2xKm^w
struct ref }|)R
{ 2 mjV~
typedef T & reference; lB8il2&
} ; p(SRjQt
template < typename T > kW3E =pr
struct ref < T &> igf)Hb;5
{ Ha>*?`?yI
typedef T & reference; $Byj}^ ;1
} ; iSRpfU
qKS;x@
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Cz#Z <:
T4e\0.If
template < typename T > JF9yVE -
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const E&$_`m;
{ v'2[[u{7*
return l(t) = r(t); 4\t1mocCSN
} W~T}@T:EN
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。 BI[JATZG
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ~i'Nqe_
;Z[]{SQ
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 V5}nOGV9
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Qq-"Cg@-/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 SD\=
m/W
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 K?x,T8<aW
最后的布局是: pVp:@0h
Add `i~ Y Fr
/ \ x LBQ
Divide 5 6Sj6i^"
/ \ ',7??Q7j&v
_1 3 ?VU(Pq*`
似乎一切都解决了?不。 oj,lz?
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。 FX<b:#
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。 _&3<6$}i"
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: |iFVh$N
~`;rNnOT3
template < typename Right > Q\
^[!|
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const UCrh/b Tm
Right & rt) const 3CjL\pIC
{ FUK3)lT
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); WnFG{S{s
} NIr@R7MKd
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 k`HP"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。 bSwWszd~
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。 ({0)@+V8
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。 v<\A%
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。 " }gVAAvc7
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? q}uHFp/J
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: W_O)~u8
a\uie$"cr]
template < class Action > /T^ JS
class picker : public Action F,Xo|jjj
{ Hk_y/97OO
public : v}G]X Z8
picker( const Action & act) : Action(act) {} z7.|fE)<6
// all the operator overloaded _?7#MWe&
} ; C9n}6Er=,
jt~Qu-
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。 5pNY)>]t=
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: '+'CbWgY
<<9Va.
template < typename Right > d<w~jP\
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ( fD
;g9
{ 'J*<iA*W
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); BIaDY<j90
} h.rD}N\L
$h9='0Wi0'
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `D(
xv
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 rRES8/
4W4kwU6D
template < typename T > struct picker_maker q"KnLA(
{ >4m'tZ8
typedef picker < constant_t < T > > result; :Br5a34q
} ; <O?y-$~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ;cQW sTfT
{ _,Fny_u=;
typedef picker < T > result; _fFU#k:MU
} ; 7x]4`#u
A\rt6/
下面总的结构就有了: <HWS:'1
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。 @4~=CV%j
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。 Dq\ Jz~
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 V{-AP=C7
至此链式操作完美实现。 n;HHogA
r,SnXjp@
wCMQPt)VS
七. 问题3 c;f!!3&
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。 Z!d7&T}
=+5,B\~q@C
template < typename T1, typename T2 > ,?UM;^
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 75!9FqMZ}
{ -${DW^txMZ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6[qA`x#
} 1L7{p>;-dO
C<^YVeG
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: D\~zS`}
-kz4FS
template < typename T1, typename T2 > {>3\N0e5
struct result_2 |s7`F%
{ )'4P.>!!aQ
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; rsn.4P=
} ; 09KcKhFB
%U7.7dSOI;
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? -b&{+= ^c
这个差事就留给了holder自己。 v7
4 PLk
,:Jus
template < int Order > %\O#&=$E
class holder; tary6K9K+
template <> 3H\w2V
class holder < 1 > 3FSqd<t;D
{ g3n'aD@'x
public : iq#b#PYA
template < typename T > P`4]-5gE
struct result_1 dhg~$CVO
{ zr v]
typedef T & result; ql{(Lf$
} ; Jo(`zuLJ
template < typename T1, typename T2 > mM.*b@d-
struct result_2
>DM44
{ V~DMtB7
typedef T1 & result; :nHKl
} ; /StTb,
template < typename T > 5FVndMM#y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const p=GWq(S6
{ TQX)?^Ft
return (T & )r;
B3m_D"?
} b2(RpY2Y
template < typename T1, typename T2 > a?}
.Fs
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const zIC;7 5#
{ 8kE]_t
return (T1 & )r1; ;DA8B'^>
} e<7.y#L
} ; YG:3Fhx0~
M$4k;
template <> e"]8T},
class holder < 2 > W/z7"#
{ x_=n-lAF
public : k NqS8R|
template < typename T > Z 2}ah
struct result_1 gXT9 r' k
{ Q'l^9Bz
typedef T & result; zepop19
} ; ?SQE5Z
template < typename T1, typename T2 > |@?%Ct
struct result_2 !?f5>Bl
{ _EnwME{@
typedef T2 & result;
OV2-8ERS
} ; t-
u VZ!`\
template < typename T > (2ur5uk+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const H~eRT1
{ !IU.a90V
return (T & )r; -&