一. 什么是Lambda XUVj<U
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 S,5>/'fy0
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, .9Cy<z
IUEpE9_
#^]vhnbN
_OjZ>j<B.
class filler Xm|~1 k_3
{ ){)-}M
public : h*40jZ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} YL!{oHs4
} ; rp"5176
Id`V`|q
M:oM(K+
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: $kN=45SR
=NY55t.
|/xx**?
uh.;Jj;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); e-v|
'ZI8nMY
}wp/,\_
>
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 }ssja,;
;a>u7rw
W,H8B%e
l"+8>Mm
二. 战前分析 _()1"5{
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 g-UCvY
I
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 KiI+ V;o
O9>$(`@I
f@hM ^%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $+n6V2^K)7
/* --------------------------------------------- */ g=t7YQq_~
vector < int *> vp( 10 ); ^dk$6%0
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Q~0>GOq*
/* --------------------------------------------- */ ff R%@
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 6@8t>"}
/* --------------------------------------------- */ O<V 4j,
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); %1jcY0zEQ
/* --------------------------------------------- */ >P@VD"U
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); T^`; wD
/* --------------------------------------------- */ [PUu9rz#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); lqMr@
:t
`#l3a
*-Yw%uR
T_D] rMl
看了之后,我们可以思考一些问题: =$)M-;6
1._1, _2是什么? \$.{*f
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。 IaSpF<&Y;
2._1 = 1是在做什么? <>{m+=gA
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。 MYjc6@=cR
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。 ojlyW})$%
+e2:?d@
4P1}XYD-2
三. 动工 ej}S{/<*n
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: `vOL3`P
sfr+W-7kx
=c*l!."0
z#o''
template < typename T > Y2 J-`o$5
class assignment t>?tWSNf
{ *n EkbI/
T value; 4LB8p7$|a3
public : E}S%yD[
assignment( const T & v) : value(v) {} n6WKk+
template < typename T2 > .S-)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &R@([=1
} ; ~I+MuI[
(oX!D(OI
=(7nl#o
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 J@$~q}iG
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment !*"fWahv
B T"R"w
HLwMo&*rA
r#4/~a5i~
class holder ML\>TDt
{ kO3\v)B;
public : cXqYO|3/M
template < typename T > C[
mTVxd
assignment < T > operator = ( const T & t) const kq5X<'MM9N
{ ]"{8"+x
return assignment < T > (t); W +ER'lX
} A|+QUPD
} ; /IRXk[
n:`f.jG |
gHstdp_3
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 9ZJ 8QH
=8?Kn@nMN
static holder _1; zX&SnT1~
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ;mk[!
-g2l-N{&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); \_8wU'7
而不用手动写一个函数对象。 A/'po_'uy
]1<GZ`
.nrllVG%`
]$lt
四. 问题分析 18Y#=uH}
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。 'v V7@@
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。 pCh v;
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 *l+Dbm,u
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 qiOJ:'@
下面我们可以对这几个问题进行分析。 [MFnS",7c
y')OmR2h
五. 问题1:一致性 ,u2Qkw
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?|
6j<!W+~G
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 _/I">/ivlM
P$z_A8}
struct holder @ps(3~?7
{ {jz`K1
// ;cI*"-I:F
template < typename T > \4>,L_O
T & operator ()( const T & r) const DHWz, M
{ Fa )QDBz)
return (T & )r; *$<W"@%^J
} R^*baiXVI
} ; }LT&BNZj
?qaWt/m
这样的话assignment也必须相应改动: >SK:b/i
]h,rgO;
template < typename Left, typename Right > |R0f--;
class assignment $QC1l@[sM
{ ;Y^'$I2fR#
Left l; "ntP92 8
Right r; $mn0I69
public : D=#RQ-
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} !=YKfzE
template < typename T2 > fu^W# "{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } BHUI1y5t
} ; :dSda,!z
! ;t\lgMl
同时,holder的operator=也需要改动: 2]5{Xmmo9
wu)+n\mt'
template < typename T > EsMX#1>/m
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const qcj {rG18
{ -d\sKc
return assignment < holder, T > ( * this , t); "r-P[EKpL
} pUXoSnIq:
\#_ymM0
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 gYB!KM *v
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 kyJbV[o<#
"Wwu Ty|
return l(rhs) = r; DW. w=L|5R
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 RSp wU;o6z
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: -!j6&
"o&8\KSs
template < typename Tp > |vI`u[P
class constant_t ?;ok9Y
{ -&5YRfr!
const Tp t; aTuu",f
public : Y_JQPup
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} l;lrf3
template < typename T > G#n 4g:K
const Tp & operator ()( const T & r) const ?RsrY4P
{ 3f[Yk#"
return t; 6c-/D.M
} o.{W_k/n
} ; 6Wu*zY_+
e73=*~kfR
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 8W\yM;'
下面就可以修改holder的operator=了 hx:q@[ +J/
Re,;$_6o
template < typename T > SiLW[JXd
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const DiFYVR<@
{ p0Jr{hM
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); . <"XE7
}
d y HC8
|C[!A
同时也要修改assignment的operator() dHc\M|HCC
+OE!Uqnt
template < typename T2 > !D#"+&&G8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } hmu>s'
现在代码看起来就很一致了。 Jka>Er
MiT0!6Pg
六. 问题2:链式操作 SYCL\b
现在让我们来看看如何处理链式操作。 AW]\n;f
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。 D.K""*ula
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。 SMEl'y
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。 ]`/>hH>+~9
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct xb,XI/
`q?3ux
template < typename T > b@Ej$t&
struct result_1 UM oj9/-
{ }L\;W:0
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; TN(Vzs%
} ; xyp{_ MZ
8xPt1Sotq[
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: oac)na:O#
*F\wWg'!B
template < typename T > =;rLv7(a
struct ref YM}a>o
{ tT}b_r7h(1
typedef T & reference; jn<?,UABD
} ; uX_H;,n
template < typename T > w% %q/![uy
struct ref < T &> >JpBX+]5m
{ im<bo Mv
typedef T & reference; +\eJxyO
} ; M3tl4%j
*uc/| c
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: JrzPDb`m
PCviQ!X
template < typename T > RM;a]g*
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const g#5R||r
{ +fP.Ewi
return l(t) = r(t); -?Cr&!*B
} fVbjU1N
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。 $n\P w
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ]auvtm-[
'nCVjO7o
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 AV5={KK
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: [wGj?M}
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 lvW
T
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?doI6N0T
最后的布局是: YX$(Sc3.6
Add )~
(*q
/ \ $ev+0m_
Divide 5 Bqf(6\)F
/ \ &<A,\M
_1 3 C[J9 =!t
似乎一切都解决了?不。 CX|W$b)%
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。 1oQw)X
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。 /<rvaR
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: %*R, ceuI
EF0v!XW
template < typename Right > ^O07GYF
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 2bt>t[0ad
Right & rt) const 4^F[Gp?
{ l_g$6\&|
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ~; 9HGtg
} M\]lNQ A
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 [`n_> p!
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。 `Fd
\dn
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。 gRLt0&Q~
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。 ? i{?Q,
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"B{IWQi
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? 'S`l[L:.8
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: uNyU]@R<W
^ZwZze:2
template < class Action > oD2:19M@p
class picker : public Action _{[6hf4p
{ 6}"%>9
public : nWd!ovd
picker( const Action & act) : Action(act) {} 'OY4Q'Z
// all the operator overloaded &Hoc`u
} ; >h7(kj:
67j kU!
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。 .9J^\%JD
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: y``\^F
dbf<k%i6
template < typename Right > c8uaZvfW
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const wWl?c
{ ..N6]u
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); iLy^U*yK
} m{IlRf'
};Q}C0E
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > cMT7Bd
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。 cYSn
=H{<}>W'
template < typename T > struct picker_maker m$vq%[/#
{ x-%O1frc
typedef picker < constant_t < T > > result; G5}_NS/
} ; b}!
cEJY
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > \e86'&
{ (0{Dn5MH
typedef picker < T > result; 8zK#./0\
} ; lC5zqyG
VVJ0?G
(?
下面总的结构就有了: j7}mh
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 5rsz2;#p
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 zluq2r
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 \BHZRytQF
至此链式操作完美实现。 ,rB(WKU
[ V.67_~
L=lSW7R
七. 问题3 9z(SOzZn
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 -P;3BHS$T
HPtMp#`T
template < typename T1, typename T2 > W@R7CQE@
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const AiHU*dp6
{ %]P{)*y-?
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); &y?
|$p\;/
} [2@:jLth=
N9-0b
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: 8"h;+;
fG\"p
template < typename T1, typename T2 > Ej(BE@6>s
struct result_2 b|i4me@
{ ~XR('}5D
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; S{^x]h|?
} ; bxE~tsM"@Y
}a" =K%b<\
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Xu-~j!
这个差事就留给了holder自己。 aO{@.
7$*E0
j2G^sj"|
template < int Order > ]]|#+$ ~
class holder; Xt$qjtVM
template <> 6wp1jN
class holder < 1 > }3lG'Y#Kpy
{ Uh/=HNR
public : @Ou
H=<YN
template < typename T > ]xRR/S4
struct result_1 dA<%4_WZty
{ }83
8F&
typedef T & result; .$\-{)
} ; 2J=`"6c
template < typename T1, typename T2 > qJG;`Ugl:
struct result_2 d(^8#4
{ Bz'.7"
":0
typedef T1 & result; P00G*iY~\
} ; :Wbp|:N0
template < typename T > k|OM?\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const SPqJ
[F
{ QGN+f)
return (T & )r; 2TGND-(j
} x-i,v"8
template < typename T1, typename T2 > S(.J
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const vjX,7NY?
{ P5my]4|x
return (T1 & )r1; "G%S
m")
} ,$`}Rf<
} ; t?9J'.p
?)9L($VVD
template <> )f3A\^
class holder < 2 > >vD}gGBe
{ 2S7BzZ/
public : G@P;#l`(D
template < typename T > (1x8DVXNN
struct result_1 j&