一. 什么是Lambda >7!aZO
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 _5a]pc$\Y]
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, >`*iM
g$VcT\X
G B!3`
A%&
qx
3.oU
class filler k/l@P
{ kFv\V
public : 7UHqiA`L
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} )ufHk
} ; ~l!(I-'?g
o^RdVSkU;
U[d/`
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: FcIH<_r
&n<jpMB
a#H=dIj
^
vI|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); R+]p
-NI^
80$P35Q"
]Oc
:x
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Af=%5%
cNC\w%
.Q"3[
f[7'kv5S
二. 战前分析 t^?8Di\
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|WZEu:0|
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 ^a; V-US
GQqw(2Ub}
!N$4.slr<p
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); g|<)J-`Q
/* --------------------------------------------- */ =khjD[muC
vector < int *> vp( 10 ); `Q26Dk
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1);
N(Y9FD;H
/* --------------------------------------------- */ w:FH2*
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); &_4A6
/* --------------------------------------------- */ Y'fI4
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 'G(N,vu[@
/* --------------------------------------------- */ @usQ*k
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); qIjC-#a=m
/* --------------------------------------------- */ |L;'In
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); W3UK[_qK
`m<="No
XeDU
,
2?t(%uf]
看了之后,我们可以思考一些问题: e::5|6x
1._1, _2是什么? Y@eHp-[
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。 ]&/jvA=\l,
2._1 = 1是在做什么? {DN c7G
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。 SNvK8,"g
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。 8e\a_R*(|
7P/j\frW
IX7d[nm39
三. 动工 Ccz:NpK+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: QN_5q5
I-/PzL<W P
y=h2_jt
_Fl]zs<
template < typename T > pE `Q4:<A
class assignment 'IfM~9'D
{ WY 2b
T value; #PXl*~PrQ/
public : |D]jdd@!a2
assignment( const T & v) : value(v) {} Xz]}cRQ[
template < typename T2 > KH pxWq
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } YD@V2gK
} ; w41#?VC/
hph 3kfR
:NbD^h)R
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 O.rk!&N
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment v@>hjie
GsDSJz
QQ2xNNF[
[&NF0c[i
class holder R$6Y\ *L[
{ yE"hgdL
public : )W 57n)]
template < typename T > Ix:aHl
assignment < T > operator = ( const T & t) const g-^CuXic
{ pbqa
return assignment < T > (t); W@wT,yJ8@
} K:'pK1zy
} ; FC]? T
A1Q]KS@
2#+@bk>^{
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Q|5wz]!5Y(
(|U+ (~PJ
static holder _1;
^[zF_df
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 <R3S{ty
z[t$[Qg
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ybS7uo
而不用手动写一个函数对象。 AO']Kmm
5 yA^ n6
uaU!V4-
7ZZSAI
四. 问题分析 T$}<So|
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。 42m`7uQ
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。 fd+kr#
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 {ReAl_Cm
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Z]SCIU @+
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Nm,vE7M
uL-i>!"L!}
五. 问题1:一致性 =,T~F3pK
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?| y~-?
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 W
8E<P y
e'\I^'`!M
struct holder p~3CXmUc~
{ ; $y.+5 q
// v11mu2
template < typename T > H[>_LYZ8
T & operator ()( const T & r) const U Ciq'^,
{ 1]hMA\x
return (T & )r; >Y2Rr9
} /AMtT%91
} ; 5lU`o
*f4KmiQ~%
这样的话assignment也必须相应改动: M/1Q/;0P
l>qCT
template < typename Left, typename Right > t#P)KcWOt
class assignment hlUF9}
{ Nju7!yVM_
Left l; e9%6+9Y
Right r; &UzZE17R
public : {g @
*jo&
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} wV-cpJ,}
template < typename T2 > Z&.FJZUP
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } "V9!srIC
} ; RisrU
5T
同时,holder的operator=也需要改动: o1n c.2/0J
{Ua5bSbh
template < typename T > |Zt=8}di
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const jM7}LV1Ck
{ MI@ RdXkY
return assignment < holder, T > ( * this , t); zM@iG]?kc
} VWMCbg>R
LZoth+:
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 (O<lVz@8
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 G+%ZN
<4O=[Q 5S
return l(rhs) = r; mR0@R;,p
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 c3
wu&*p{
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: IsRsjhg8x
o<g (%ncr
template < typename Tp > /4T%s
class constant_t [j![R
{ <v2R6cj5
const Tp t; i5AhF\7F9
public : 1i>)@{P&BN
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} S((8DSt*
template < typename T > ZR#UoYjupb
const Tp & operator ()( const T & r) const >yWJk9hf
{ 9Q.j
<
return t; bu hxC5i%
} ]Ny]Ox<
} ; ]3I_H+hU
N9*$'
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 &1?Q]ZRp
下面就可以修改holder的operator=了 qh&K{r*T
}>OE"#si
template < typename T > Hv`Zc*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const v(t&8)Uu
{ d")r^7
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); t*<c+Ixu
} 'rF TtT
Qy$QOtrv
同时也要修改assignment的operator() PAc~p8S
4({=(O
template < typename T2 > ,>g
6OU2~6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } .6'T;SoK>
现在代码看起来就很一致了。 N&GcWcq
3{c&%F~!
六. 问题2:链式操作 _ Po9pZ
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Ec[:6}
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 >N3{*W
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 AVJF[t ,
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Z6*RIdD>
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct I3L1|!
x[?_F
template < typename T > B#gmT2L
struct result_1 es6e-y@e
{ L*l( ~t)vF
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; V*TG%V -
} ; t^[{8,N
L{Th>]X
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 4Cfwz-Qo
;zOZu~Q|'
template < typename T > ECSC,oJ
struct ref K:Ap|F
{ +|0 m6)J]
typedef T & reference; _9-Ajv
} ; ]I]dwi_g)
template < typename T > K)v(Z"
struct ref < T &> >:xnjEsi$/
{ >2|#b
typedef T & reference; RS:0xN\JN
} ; MVj@0W33m
q{@Wn]!k
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: q3[LnmH
|'J3"am'
template < typename T > i3GvTg-X
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ^g0 Ig2'
{ H}@|ucM"\
return l(t) = r(t); 2KG j !w
} p<+]+,|\~:
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。 W`\H3?C`xQ
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 P``hw=L
d-*9tit
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"tO*/|`
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: PU>;4l
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 &p%,+|
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 z=xHk|+'
最后的布局是: WDX?|q9rCt
Add ;e{2?}#8&
/ \ h1Lp:@:|
Divide 5 (r|T&'yK
/ \ 7q?YdAUz
_1 3 L=p.@VSZ
似乎一切都解决了?不。 r" D |1
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。 \xdt|:8
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。 p"JSYF
9]
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: }iC~B}
:@/fy}!
template < typename Right > pqs)ueu
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const V?"^Ff3m!
Right & rt) const ZJ4"QsF
{ A/QVotcU
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Dux`BKl
} G^R;~J*TDE
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Y}Dp{
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。 )_=&)a1U
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。 UqHO S{\Sz
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\vK`.z
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。 kgI Wgk%
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? ^DH*@M
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: 9,Mp/.T" \
-r2cK{Hhp&
template < class Action > {7wvC)WW
class picker : public Action ky#6M?
\
{ ) &9=)G
public : N!v@!z9Mu
picker( const Action & act) : Action(act) {} bXfOZFzq)
// all the operator overloaded =?lT&|"
} ; y"hM6JI
MT5A%|H e
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。 epL[PL}
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: EH3G|3^xz
)k1,oUx
template < typename Right > HB}gn2.1&
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Gh
pd
k;
{ A)#sh)
}Q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); |:?.-tq
} o
,!"E^
So^`L s;S
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > pxbNeqK@p
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。 hK"=~\,
+E:(-$"R
template < typename T > struct picker_maker vraU&ze\1
{ I5A^/=bf&
typedef picker < constant_t < T > > result; 10rGA=x'(
} ; n96gDH*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 16y$;kf8
{ E
oR(/*'
typedef picker < T > result; a(~YrA%~
} ; u
s0'7|{q
>2:S v1T
下面总的结构就有了: c 2@@Rd~M
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。 v (h Xk]S
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。 =s]{
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 5% `Ul
至此链式操作完美实现。 ~
t
H s+
TxvPfU?
WK}+f4tdW[
七. 问题3 =QfKDA
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。 xdM#>z`;
=Q}mJs
template < typename T1, typename T2 > >>cd3)b
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const %m) h1/l
{ "T
u[n\8
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); mv?H]i`N
} }hitU(5t0
E@6r{uZ#
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: $tHwJ!<$&
.K1E1Z_
template < typename T1, typename T2 > l&Ghs@>Kl
struct result_2 "T%'Rp`j|
{ p.] .M"A
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; bMZn7c
} ; U_;J.{n
9sj W
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? .GN$H>')
这个差事就留给了holder自己。 "EYjY->
>Ro n+
oe
)x x/di
template < int Order > 50aWFJYw
class holder; ]C6[`WF
template <> idS
RWa
class holder < 1 > QeJ.o.m{
{ Qz(T[H5%W
public : qetP93N_*
template < typename T > ENWB|@B
struct result_1 B;]5,`#!
{ <1+6O[>{
typedef T & result; <`_OpNxqW
} ; CPNN!%-
template < typename T1, typename T2 > j4xr1y3^
struct result_2 ^s~n[
{ 6q[!X0u
typedef T1 & result; ,."(Gp
} ; nl9Cdi]o
template < typename T > u?3NBc$~A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const d3G{0PX
{ *t M7>
return (T & )r; {&EZ>r-
} ^=Ct Aa2
template < typename T1, typename T2 > 8H#c4%by)
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Owpg]p yVD
{ ,PMb9O\B
return (T1 & )r1; MupW=3.38
} C$td{tM
} ; hJo^Wo
VUC <0WV
template <> Ipz
1+
#s'
class holder < 2 > d6@jEa-
{ JM-ce8U
public : ?)[zLnxc&
template < typename T > 27],O@2?L
struct result_1 /1W7<']>xV
{ dHq )vs,L
typedef T & result; e9`uD|KAS|
} ; wvmg)4,
template < typename T1, typename T2 > #}!>iFBcH
struct result_2 r d6F"W
{ Ls>u`hG
typedef T2 & result; &:;;u\
} ; f;Bfh3
template < typename T > X`3vSCn
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const B>|U-[A
{ Vo 6y8@\
return (T & )r; QI#*5zm
} |pH*
CCA
template < typename T1, typename T2 > V4eng "
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const v*H &