一. 什么是Lambda >l7
o/*4
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 jBB<{VV|
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, 9c?izp A
lA ,%'+-
`}=Fw0
U$J]^-AS
class filler Df4n9m}E
{ i &KbzOY
public : |Y99s)2&N
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} K:{Q~+
} ; ]pGr'T~Gj
h*KhH>\
Ln:
y|t
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: Gs9jX/#
v>e4a/
+HcH]D;
I2/wu(~>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); E7D^6G&i
f2Slsl;
C[Fh^
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。
ew0 )
U?rfE(!
@z,'IW74V
8~I>t9Q+
二. 战前分析 }i[jJb`bY
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 %Wu8RG}
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 MdKZH\z/
Ay_<?F+&
Gm%[@7-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); K0#tg^z5d
/* --------------------------------------------- */ Zsuh 8t
vector < int *> vp( 10 ); pp-Ur?PM
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); [Q*kom :
/* --------------------------------------------- */ Gah e-%J
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Kfr?sX
/* --------------------------------------------- */ E }yxF.
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); q\/|nZO4
/* --------------------------------------------- */ 9QYU
J
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 4 I~,B[|
/* --------------------------------------------- */ yQW\0&a$
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); \\T
I4A^#
o60wB-y
Jw^+t)t
V:+}]"yJ,
看了之后,我们可以思考一些问题: X >**M
1._1, _2是什么? {u1t.+
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。 *83+!DV|
2._1 = 1是在做什么? +`4|,K7'
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。 1ERz:\
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。 +g;G*EP7*
vB,N6~r>
6SmSu\lgV
三. 动工 FJ!>3V;}
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ^1g6(k'
*rbH|o 8
8sIGJ|ku
Gmwn:
template < typename T > `rcjZ^n
class assignment AD5t uY
{ \}2Wd`kD
T value; } 6KL
public : 6xOR,p>E
assignment( const T & v) : value(v) {} `?$R_uFh:
template < typename T2 > -R8RAwsLG
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Nhf!;>
} ; qB&*"gf
;EJ6C#}
>7
7~65 @&P>
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %_u3Np
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment s 2$R2,
OO$<Wgh
0s8S`hCn>
SUx0!_f*R
class holder E8nqExQ
{ tQ/w\6{
public : mI.*b(Irp
template < typename T > rd"]$_P8O
assignment < T > operator = ( const T & t) const I?PKc'b
{ -py.YZ
return assignment < T > (t); z#\Z|OKU
} S38D
cWIw
} ; G ;z2}Ei
%mq]M
vSX
6~m
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: D"o>\Q
]EK"AuEz`
static holder _1; n% *u;iG
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 gC3{:MC-G
wb{y]~&6K
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); +F/ '+
而不用手动写一个函数对象。 w&H
?; 1
;?y?s'>t&
$a-~ozr`C
`KL`^UqR
四. 问题分析 T#( s2
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 S)~h|&A(
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 D( _aXy
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 "qF&%r'
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ^fx9R5E$:
下面我们可以对这几个问题进行分析。 E`X+fJx
/M#A[tZ3
五. 问题1:一致性 '*T7tl
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?| z><JbSE?
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 I8[G!u71)_
C*KRu`t
struct holder _Y0o\0B
{ >Z3}WMgBN
// fLys$*^)^
template < typename T > :&a|8Wi[W
T & operator ()( const T & r) const LHacHv
{ A$oYw(m#
return (T & )r; +(<CE#bb[
} T&!>lqU!J
} ; +zlaYHj
W<x2~HW(
这样的话assignment也必须相应改动: E:i3
/Ep?
KctD=6
template < typename Left, typename Right > sFGXW
class assignment [A3hrSw
{ R#r?<Ofw4
Left l; /,;9hx
Right r; Bf7RW[ -v
public : fg,~[%1
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} -1< }_*
template < typename T2 > R~tv?hP
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } UyJ5}fBJ
} ; 9M7{.XR,
g<,|Q5bK
同时,holder的operator=也需要改动: ZSbD4
|_
eag$i.^aS
template < typename T > !WY@)qlf
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const !q/?t XM!
{ KN%Xp/lkX
return assignment < holder, T > ( * this , t); 7?A}qmv
} 3wr~P
2V
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。 I*24%z9
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Ohjqdv@
Z|~<B4#c
return l(rhs) = r; ~gV|_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。 2{ptV\f]D
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ad"&c*m[
PM_q"}-
template < typename Tp > ypml22)kz
class constant_t Fc nR}TE
{ JL*-L*|Zcl
const Tp t; 9@S
icqx
public : oACE:h9U
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} <H 3}N!
template < typename T >
:Ct}||9/
const Tp & operator ()( const T & r) const c\R!z&y~
{ 9(H8MUF0{
return t; H\ NO4=
} 2S/^"IM["
} ; x^SE>dy ?z
!,1~:*:
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 X/.|S57
下面就可以修改holder的operator=了 u] oS91
gHm^@
template < typename T > *D\nsJ*g
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const |D^[]*cEH
{ Ak1f*HGl|
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); $D45X<
} H!xBFiOH$n
>`lf1x
同时也要修改assignment的operator() a1GyI
kp0>8rkF
template < typename T2 > +}:c+Z<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ~=c#Ff=Z
现在代码看起来就很一致了。 "#p)Z{v"!
N/y.=]
六. 问题2:链式操作 l\(t~Q
现在让我们来看看如何处理链式操作。 _o`'b80;
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。 n,fUoS
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。 PPmZ[N9(;
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。 n'R
8nn6^
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct V6Q[Y>84~a
$+rdzsf)+/
template < typename T > .Wb),
struct result_1 Xe*
L^8+
{ 2
OGg`1XX
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; '9b<r7\@
} ; .2u %;)S
QXF>xZ~
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 'QkL%z0
,;{mH]"s
template < typename T > 8Y4YE(x5
struct ref @@! R
Iq!
{ 45_zO#
typedef T & reference; HM<V$
R
} ; bbnAF*7s8
template < typename T > ukZL
struct ref < T &> yyZjMnuD
{ WLizgVM
typedef T & reference; 4S9AXE6
} ; ?B[Z9Ef"8l
w%L0mH2]ng
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: /.}&yRR
5#iv[c
template < typename T > MEo+S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Ib!`ChZ
{ !.F`8OD`u
return l(t) = r(t); (D))?jnC
} AJq'~fC;I
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。 8mMrGf[Q\
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 H,?AaM[V
3J@#V '
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 IoA"e@~t
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ofN|%g /
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 AU)Qk$c
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &;,w})
最后的布局是: Z|3l2ucl
Add bluC P|
/ \ kR'!;}s
Divide 5 C
YnBZ
/ \ rYc?y
_1 3 lKe aI
似乎一切都解决了?不。 o6svSS
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 U-|gtND
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 <}B]f1zX
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: <]"aP1+C
`33+OW
template < typename Right > ,Kdvt@vle
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const WT!%FQ9
Right & rt) const :pOX,
{ F!.@1Fi1
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); om@` NW
} ydBoZ3 }
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 &?x^I{j
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Inr ~9hz
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 v6iV#yz3(
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 D<nTo&m_
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 Mc{1Cdj
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ;g?5V
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: yzXwxi1#
l=kgRh
template < class Action > eZf-i1lJ
class picker : public Action z07!i@ue~
{ !dmI}<@&k
public : 1{"e'[L
picker( const Action & act) : Action(act) {} }Z2Y>raA\
// all the operator overloaded LkJ3 :3O
} ; `Ol*"F.+I
IDcu#Nz`
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 -6Cxz./#yS
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: JTdK\A>l
KLbP;:sr
template < typename Right > "i9$w\lm
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const {T=I~#LjMI
{ wGw}a[a
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); F4d L{0;j
} oXfLNe6>L
t t#M4n@
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > g_.BJ>Uv
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。 Cm>8r5LG
U<o,`y[Tn
template < typename T > struct picker_maker 00<iv"8
{ wgI$'tI
typedef picker < constant_t < T > > result; ~/
"aD
} ; KWU#Swa`
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 6\'v_A
O
{ 5P+3D{
typedef picker < T > result; V .$<