一. 什么是Lambda khX|"d360
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 e<+<lj"
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, ~9M!)\~
;IP~Tb]&
[~%`N*G
&w\I<J`T
class filler yXfMzG
{
P'[<AZ
public : m#@_8_ M
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} hl/itSl$
} ; "ED8z|]j
:{}_|]>K
.KA V) So"
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:
M[P^]J@
POd/+e9d
bg7n
05e>\}{0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Wr%7~y*K
F+aQ $pQ
:F(9"L
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 `lCuU~~ag
I0w%8bs
Gp2!xKgm
^X1wI9V
二. 战前分析 &d^=siL
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 W'/>et
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 zQfkMa.
qd2xb8r
Ol+Kp!ocY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); v|@1(
/* --------------------------------------------- */ A" !n1P
vector < int *> vp( 10 ); x mo&![P
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 3)E(RyQA3
/* --------------------------------------------- */ *g7DPN$aQ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); >)Dhi+D
/* --------------------------------------------- */ ,;iA2
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); zB)%lb
/* --------------------------------------------- */ s (PY/{8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); VWa|Y@Dc]
/* --------------------------------------------- */ zG%
|0
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); vA>W9OI
8F6h#%9
{8CWWfHCD
&=w|vB)(p
看了之后,我们可以思考一些问题: z^`]7i
1._1, _2是什么? avNLV
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。 PdE>@0X?M
2._1 = 1是在做什么? FmT
`Oa>
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。 Mtp%co )f
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。 uw_?O[ZA[
%KV2<t?
#x)}29%e#
三. 动工 )x\z@g
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: $h[Yz l
Alu5$6X
$WaZ_kt
i^g~~h
F
template < typename T > $I8[BYblB
class assignment &9P<qU^N)
{ g [L
T value; htHv&
public : n`<S&KP|
assignment( const T & v) : value(v) {} eV;me>,
template < typename T2 > G11cNr>*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 3M*Y= ?pI
} ; [j0w\{
JMsHK,(
\y~)jq:d"
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 'p)QyL`d
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment fValSQc!U
$
I<|-]u
uPU#c\
l>Av5g)
class holder K-@bwB7~s
{ .TN2s\:]jw
public : l2/@<0P
template < typename T >
`]>on`n?
assignment < T > operator = ( const T & t) const VO -784I
{ qZsnd7o{l.
return assignment < T > (t); ,y.3Fe
} F6&P ~H
} ; qJ Gm8^b-
=]KIkS 3
/djACA
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: 7^wE$7hS
2PBepgQyPU
static holder _1; !%62Phai
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 AU`OESSI
7A0dl}:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ;,`]O!G:P
而不用手动写一个函数对象。 I9/KM4&
|[WL2<
gz\j('~-D
5"2@NL
四. 问题分析 R0IF'
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 =ZMF ]|
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Oga1u
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Wa, 7P2r
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 RpeBm#E2
下面我们可以对这几个问题进行分析。 .EzSSU7n)
I}%mfojC
五. 问题1:一致性 Hdna{@~
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 3N3*`?5c<
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ]ut?&&*
/&6Q)
struct holder Ou!)1UFI
{ eoL0^cZj
// ?\d5;%YSr
template < typename T > FvA|1c
T & operator ()( const T & r) const @7X\tV.Z
{ K*:Im#Q
return (T & )r; 'A1E^rl]=
} *vD/(&pQ1:
} ; W
U0UG$o`
0#]!#1utg
这样的话assignment也必须相应改动: 0STk)>3$-
i6A$1(:h
template < typename Left, typename Right > oVreP
class assignment 8xgc[#
{ !xH,y
Left l; n4R]+&*
Right r; b<\G I7
public : ~=Fk/
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} QU%N*bFW%P
template < typename T2 > 8_Jj+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } #'KY`&Tw&
} ; Tz2x9b\82
1sMV`qv>
同时,holder的operator=也需要改动: !,R
8z0Hx
template < typename T > !8Y3V/)NU
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const (E IR z>
{ Ga?UHw~
return assignment < holder, T > ( * this , t); k3/4Bt G/
} wvX"D0eVn
"V:XhBG?
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Iw*C*%}[Z
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 e00RT1L
Z{
%Uw;d
return l(rhs) = r; v$Dh.y
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。 ^X$
I= ro
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: wNbTM.@
P2 |}*h5(
template < typename Tp > g\qX7nIH?
class constant_t (\tq<h0
{ FfjC
M7?
const Tp t; WEps.]s
public : }il%AAI9}r
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} cS5w +`,L
template < typename T > zK,~ 37)\
const Tp & operator ()( const T & r) const "wF*O"WQo
{ C\J@fpH(t`
return t; #'#4hJ*YC
} HoMQt3C
} ; Qk|( EFQ9
d{?)q
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 e5FCqNip'
下面就可以修改holder的operator=了 2,+@#q
rdFs?hO
template < typename T > pDP33`OFh
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const <%he
o
{ rT o%=0P
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ~;TV74~rr
} E8+8{
#f;
i4 P$wlO
同时也要修改assignment的operator() = SA
4\/
B>R*
f C@g
template < typename T2 > 20n%o&kG]8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } oUCS|
现在代码看起来就很一致了。 $B*qNYpPy.
HH+TjX/b
六. 问题2:链式操作 bL+sN"Km
现在让我们来看看如何处理链式操作。 NuHL5C?To
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 LZbRQ"!!o
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 9]"\"ka3>
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 {E3;r7
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Z=0iPy,m>
zf}rfn
template < typename T > u|(aS^H=q
struct result_1 -=@K%\\~5
{ (69kvA&|q
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; O2/%mFS.
} ; H 3W_}f
>3v0yh_3
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: w($XEv;
KwY`<t1lA;
template < typename T > #d3[uF]OmW
struct ref AX/=}G
{ *{HGLl|=
typedef T & reference; *sIi$1vHu
} ; h\Z3y AYd
template < typename T > hLu&lY
struct ref < T &> o,iS&U"TC
{ >6n@\n
typedef T & reference; R9S7_u
} ; $[WN[J
x*3@,GmZl
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: y[TaM9<
FI80vV7
template < typename T > n\~"Wim<b
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const }S
Y`KoC1
{ ag|9$
return l(t) = r(t); Vjv6\;tt8
} t201ud2$
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。 hj%}GP{{
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 aMe%#cLI
m~b#:4D3
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 =f/avGX
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: wCqE4i
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 +3(CGNE
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 c`Lpqs`
最后的布局是: <h)deB+}
Add G:H(IA7Z
/ \ <e@I1iL37y
Divide 5 ?14X8Mb8W_
/ \ F o--PtY`p
_1 3 ,Gf+U7'K
似乎一切都解决了?不。 I$rW[l2
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 5|{ t+u
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 j(wY/Hl
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: "Wzij&WkQ
Z3&XTsq
template < typename Right > F>hVrUD8
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const vLVSZX
Right & rt) const Ktj(&/~}
{ T1Ln)CS?9
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -K{\S2
} 0~LnnDN
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 6'3Ey'drH
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 dA3`b*nC
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 /jn:e"0~
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 J-HabHv
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 R$~JhcX*l'
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? \H}@-*z+)
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: #CBo
Y+S~b
template < class Action > sZ\i(eIU
class picker : public Action D(W7O>5vQ2
{ t/4/G']W
public : )[a?J,
picker( const Action & act) : Action(act) {} M$E8:
// all the operator overloaded [bQ8A(u
} ; ^+YGSg7
[xH2n\7
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 IWSEssP
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: m"ki*9]
2g`uC}
template < typename Right > @=^jpSnZ
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Xl gz.j7XR
{ .-gm"lB
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); LQuYCfj|
} B%?|br
(rCPr,@0
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > pD)/-Dgdm
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 G!f E'B
s`dkEaS
template < typename T > struct picker_maker w^vK7Z
1$
{ 8I|1Pl
typedef picker < constant_t < T > > result; *8(t y%5F0
} ; a-o
hS=W
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > P7^TRrMF
{ uvAy#,
typedef picker < T > result; u+"hr"}${
} ; lqwJ F &
3vEjf
下面总的结构就有了: _16&K}<
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 |Cxip&e>
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 +=lcN~U2
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。
Y=#mx3.
至此链式操作完美实现。 %[31ZFYB
E,nYtn|B
uc{Qhw!;:
七. 问题3 7kew/8-
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 4Q>jP3
_<&K]e@dp
template < typename T1, typename T2 > tI6USN%
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const }G0.Lq+a
{ Q{)F$]w
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); CuGOjQ-k~
} 5>^ W}0s
{e!uvz,e
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: ^Xz`hR
67hPQ/S1
template < typename T1, typename T2 > T3PaG\5B
struct result_2 DdA}A>47
{ q=L*
99S
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; \q)1TTnHS
} ; B3k],k
`qy6qKl
N
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? ~dX@5+Gd
这个差事就留给了holder自己。 ,1.([%z+r
L
M<