一. 什么是Lambda I !O5+Er
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 )Kq@ m1>@
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, bmO(tQS$5
r\FduyOXv
DSK?7F$_oE
3(_:"?x A
class filler ,6SzW+L7
{ n2Ew0-
public : x@tI
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} kzC4V
} ; FA{(gib@9
$.zd,}l@L
D&G^|: G
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: \Yh*ywwP#
%<<JWoB
z&CBjlh
VXl|AA<OG
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); t\f[->f
D7g
B%
5),&{k!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 m|Sf'5fK
d2Ta&Md
JthU'"K
:-oMkBS
二. 战前分析 XT1P.
w[aA
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 |BXp `
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 @Y!B~
^7YZ>^
mQ2=t%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); S{N=9934_
/* --------------------------------------------- */ Ey{p;;H
vector < int *> vp( 10 ); SNSHX2
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); gi$ 'x^]#
/* --------------------------------------------- */ #x \YA#~
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); uobQS!
/* --------------------------------------------- */ vb3hDy
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ?0+N
/* --------------------------------------------- */ svtqX-Vj"
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ?%$~Bb _
/* --------------------------------------------- */ yYdh+ x
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); AOef1^S=
~vcua@
^0?ww&X
<MoyL1=
看了之后,我们可以思考一些问题: ijKQ`}JA
1._1, _2是什么? dtig_s,)D
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 X XxH<E$p
2._1 = 1是在做什么? g @NwW&
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。 ,h<xY>
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。 QwL*A `@
25<qo{
M5 ^qc
三. 动工 Nw1Bn~yx<R
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 3AAciMq}
`nY.&YT
>X*Y jv:r
\{v-Xe&d^
template < typename T > yQf(/Uxk*x
class assignment Adgfo)X5
{ 2Sk"S/4}Z
T value; k106fT]eX
public : #Y'ewu;qJ
assignment( const T & v) : value(v) {} 5F#FC89Kk
template < typename T2 > yT[=!M
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } -Ua&/Yd/}
} ; Z/d {v:)
`uC^"R(m
JF=T_SH^U
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 y{2\T
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment w:x[kA
\"w+4}
zL9:e7o
PbFbihg
class holder )a9C3-8Y'
{ POf xN.
public : t#w,G
template < typename T > @U@O#+d'ZR
assignment < T > operator = ( const T & t) const KNR7Igw?}
{ 4BeHj~~
return assignment < T > (t); k{U[ U1j
} N%%trlDXD
} ; Lcf?VV}
U2CC#,b!(
`U&'71B^
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: 1L?d/j
3#y`6e=5
static holder _1; ,aIkiT
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 `G%h=rr^c
l gZ9*@d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); *X^C+F
而不用手动写一个函数对象。 A5Q4wy`
Ao#bREm
{
SDnVV
Ihv@2{*(b
四. 问题分析 HE>V\+
AL
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。 |9X2AS Qu
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。 ,
K:d/
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 tH#t8Tq5x
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 HMDuP2Y
下面我们可以对这几个问题进行分析。 6cD3(//
^f9@=I
五. 问题1:一致性 l
dp$jrNLr
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| AGKT* l.-
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 F{c8{?:
M^Tm{`O!
struct holder ;aD?BD__Z
{ xxwbX6^d
// FR>[g`1
template < typename T > Zr =B8wuT
T & operator ()( const T & r) const ?FwHqyFVlQ
{ fzOh3FO+
return (T & )r; mA"[x_
} \U##b~Z,g
} ; Y#6LNI
_>;{+XRX[
这样的话assignment也必须相应改动: XVb9)a
L-9;"]d~|
template < typename Left, typename Right > i0*Cs#(=h
class assignment T Qx<lw
{ q=-h#IF^
Left l; I!SIy&=W
Right r; xM@s`s|n
public : ]9c{qm}y
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} {fjBa,o
#
template < typename T2 > | g1Cs
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } #lMC#Ld
} ; ,_s.amL3O{
fjY:u,5V_
同时,holder的operator=也需要改动: ei"c|/pO
[j0jAl
template < typename T > J8ScKMUN2
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const %oquHkX%OJ
{ y&bZai8WlE
return assignment < holder, T > ( * this , t); e+:X%a4\
} A/"2a55
v#`>
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 TK%q}bK,
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Y88N*axDW.
d1D=R8P_u
return l(rhs) = r; /I{K_G@
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 8&3&^!I
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: p"- %~%J=
a .?AniB0
template < typename Tp > BOP7@ D
class constant_t 06Q9X!xD
{ s^4wn:*$zd
const Tp t; 0)7v_|z
public : +5 gX6V\
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} fEiNHV x
template < typename T >
rixVIfVF
const Tp & operator ()( const T & r) const *YGj^+
{ R(,m!
return t; 4'`H H
} (`4&Y-
} ; W~a|AU8]C
WFhppi
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ~%eE%5!k
下面就可以修改holder的operator=了 O(v>\MV
B9$pG
template < typename T > @&%/<|4P5
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ^f-)gZ&
{ NU+PG`Vb
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); }2:q#}"
} dLeos9M:
XKDX*x G
同时也要修改assignment的operator() D:?"Rf{)
33wVP}e5
template < typename T2 > Nl/
fvJ`4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } +$xw0)|
现在代码看起来就很一致了。 7i'clB9!
&4#%xg
六. 问题2:链式操作 cIa`pU,6A
现在让我们来看看如何处理链式操作。 z`I%3U5(
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。 _[i.)8$7
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 dw!Xt@,[g{
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 p$= 3$I
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct j]`hy"
~D`R"vzw=
template < typename T > uFhPNR2l
struct result_1 m-+>h:1b|9
{ 5w{U/v$Z
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; (FZ8T39
} ; ?<Hgq8J
jC$~m#F
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: O '`|(L
%++S;#)~
template < typename T > Da!vGr
struct ref q8.Z7ux
{ 0pl'*r*9
typedef T & reference; {7MY*&P$,
} ; /u`Opv&I
template < typename T > %cDDu$9;
struct ref < T &> W$&*i1<a+
{ Ag*?>I
typedef T & reference; ?I:_FT
} ; ^,?>6O
?iEn~9WCS
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: rj4Mq:pJ
g\?07@Zd|
template < typename T > g
4|ai*^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const G`&P|xYg
{ mA_EvzXk\
return l(t) = r(t); (n_.bSI
} |nr;OM
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。 5dG+>7Iy}
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 RBg2iG$8|
$G9E=wn
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 d{) =E8wE
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: T+rym8.p
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 wV{j CQ
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 <:N$ $n
最后的布局是: )8n?.keq
Add w40*vBz
/ \ B|+%ExT7
Divide 5 ;~WoJlEK3
/ \ 5p:2gsk
_1 3 -]Mk}
z$
似乎一切都解决了?不。 GukwN]*OY
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。 VkJTcC:1
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。 G&MO(r}B
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: Z![#Uz.z
aHI~@
template < typename Right > \$t{K
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const NwQ$gDgu t
Right & rt) const 3UZ_1nY
{ 4`cf FowK~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); M195[]
} V:+vB "
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 .L^;aL
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 eI|~neh
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 K;s`
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 IM[=]j.?
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 wN6sica|
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? W~i0.rg|>
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: EG8z&^O x
vl|3WYA
template < class Action > O8rd*+
class picker : public Action E%stFyr9`/
{ sk0/3X*Q%
public : vp d!|/
picker( const Action & act) : Action(act) {} 3+:NX6Ewb*
// all the operator overloaded ~)X;z"y%b
} ; s k~7"v{Y.
-XkjO$=!=
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。 =
1d$x:
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: f^5sJ0;%
Y2N$&]O{
template < typename Right > ANj%q9e!Yi
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 2"P1I
{ qEdY]t
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); h\Zh^B6J
}
!y!s/i&P%
@cm[]]f'l
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > KK-+vq
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。 2!{_x8,n
,5K&f\
template < typename T > struct picker_maker ?6I`$ &OA
{ A^0-%Ygl
typedef picker < constant_t < T > > result; gB,Q4acjj
} ; ilQ\+xR{b
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > a"1LF`
{ |Xv\3r
typedef picker < T > result; XoMgbDC
} ; *|0W3uy\Y
Z vyF"4QN
下面总的结构就有了: *0'{n*>
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。 *S4&V<W>
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。 6+PP(>em
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 dPgA~~
至此链式操作完美实现。 -ucR@P]
}:0HM8B7!
QEx&AT
七. 问题3 =Q|s[F
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。 \(5Bi3PA}
pMp@W`i^6
template < typename T1, typename T2 > Tm~jYgJ
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const pBQ[lPCY/
{ F1`mq2^@
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); X&K,,C
} :b#5cMUe
W^3'9nYU
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: W$Aypy
qrt2uE{K
template < typename T1, typename T2 > bs?4|#[K
struct result_2 ;hFB]/.v
{ )%!X,
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; $ WWi2cI;
} ; J=n^&y
sn@)L ~$V
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? I&x69
这个差事就留给了holder自己。 #e9XU:9@g
]7h;MR
xz,M>Ua
template < int Order > vha@YPC=
class holder; A{')
template <> ,-Lv3
class holder < 1 > |:SXN4';?
{ mFIIqkUAL
public : v\kd78,
template < typename T > ?/p."N:]H
struct result_1 0E&XD&D
{ RZj06|r8
typedef T & result; <)@^TRS
} ; Pp|pH|(n ,
template < typename T1, typename T2 > fK=vLcH
struct result_2 wp-3U}P2(
{ ]d&;QZ#w
typedef T1 & result; 3v<9 Z9O
} ; rO1.8KKJ
template < typename T > jqoU;u`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const dBW#PRg
{ <5sfII
return (T & )r; } x'o`GuUf
} uYc&Q$U
template < typename T1, typename T2 > Zt4 r_7
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const q?&J