一. 什么是Lambda TD0
B%
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 KZE,bi:~
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, ^yp{32
oG\Vxg*
6H$FhJF
8nV+e~-w
class filler a1lh-2xX
{ A;M'LM- M
public : CD~.z7,LC
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} }Sv:`9=
} ; a`>B Ly5o
~f98#43
8l`*]1.W<
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: #"~<HG}bR/
Fx.=#bVX7
+mn[5Y} :
UaeXY+O
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); NBGH_6DROw
{P_.~0pc*
)SGq[B6@I
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 xy;;zOh`
'H;*W |:-]
=Xr.'(U
x.$FNt(9
二. 战前分析 s$j,9uRr
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 tR$NRMZ.
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 YT,{E,U;
wibNQ`4k
Q=$2c[Uk
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); =I_'.b
/* --------------------------------------------- */ &};zvo~P.
vector < int *> vp( 10 ); eaU
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 5{,<j\#L
/* --------------------------------------------- */ H Pz+Dm
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Z%UP6%
/* --------------------------------------------- */ [nq@m c~<
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Eu3E-K@y
/* --------------------------------------------- */ ~k5W@`"W
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); $6IJP\
/* --------------------------------------------- */ Q"#J6@
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); %W S+(0*1
A04U /;
_+MJ%'>S
{)<v&'*c~
看了之后,我们可以思考一些问题: Y'X%Aw;`
1._1, _2是什么? E]r?{t`]
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 Fsg*FH7J
2._1 = 1是在做什么? qH_Dc=~la
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 R4d=S4i
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Z;"vW!%d
veECfR;
9>#6*/Oa7
三. 动工 [Ch.cE_
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: A3*!"3nU
2X&qE}%k S
hi[pVk~B)
j] [,J49L
template < typename T > aw> #P
class assignment %&bY]w
{ <gBA1oRz
T value; BJ(M2|VH
public : `M6)f?|$.
assignment( const T & v) : value(v) {} g9F?z2^
template < typename T2 > RD&PDXT4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 5F"jkd+
} ; P!k{u^$L
kcxAd
fF kj+
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 2J;g{95z
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment FN73+-:n:j
$ME)#(
/a o5FL
:BTq!>s
class holder {(}By/_
{ ml$o5&sN
public : ?bu>r=oIO]
template < typename T > vfo~27T{(
assignment < T > operator = ( const T & t) const ?z
u8)U
{ KK &?gTa
return assignment < T > (t); LreP4dRe
} sx<%2
} ; 4X|zmr:A
igAtRX%Qx
uW3!Yg@
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: hR|MEn6KC
#3d(M
static holder _1; wlmRe`R
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 8Q+36!
5/z/>D;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Xn\jO>[Ef
而不用手动写一个函数对象。 0qT%!ku&
wec)Ctj+
Z EO WO
2GStN74X r
四. 问题分析 4xJQ!>6
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。 =mmWl9'mJ
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。 >@AB<$A
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 xn|(9#1o
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 M&
CqSd
下面我们可以对这几个问题进行分析。 <b<j=_3
A.w:h;7
五. 问题1:一致性 >)Tqt!?
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 4nz 35BLr
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 y18Y:)DkL
&G$Ucc
`
struct holder KCDE{za
{ P
L+sR3bR
// 1g~R/*Jo
template < typename T > j1HW._G
T & operator ()( const T & r) const /|#fejPh
{ W|(1Y
D
return (T & )r; kz7(Z'pw
} Fea(zJ_
} ; /JU.?M35
IdxzE_@
这样的话assignment也必须相应改动: w)jISu;RG
G<;*SYAb
template < typename Left, typename Right > S>;
5[l 4
class assignment 9JKEw
{ HLHz2-lI
Left l; x3eZ^8^1}
Right r; f'3$9x
public : :T(|&F[(
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} gbagi+8s`%
template < typename T2 > dcWD(-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } jm r"D>
} ; Q.c\/&
m9}P9?
同时,holder的operator=也需要改动: w.-!UD9/.x
*G9V'9
template < typename T > k+l b@!
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 9k[9P;"F:
{ 8qu6.
return assignment < holder, T > ( * this , t); n@[O|?S
} %GIr&V4|
MR.'t9m2L
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 2T[9f;jM'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ps DetP
Xm2z}X(%
return l(rhs) = r; S?BG_J6A7
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 4|#WFLo@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: >~+ELVB&
{P#|zp 4C{
template < typename Tp > &Z|P2 dI
class constant_t VTHH&$ZNq
{ wJY'
const Tp t; n>U5R_T
public : 2jCf T>`3
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} KdbHyg<4
template < typename T > H~z`]5CN
const Tp & operator ()( const T & r) const PRE|+=w$
{ 6Sn .I1Wy
return t; QUQ'3
} 0}dpK $.
} ; Tc3yS(aq
liz~7RY4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 WvZ8/T'x
下面就可以修改holder的operator=了 }|5Pr(I
0% I=d
template < typename T > @>H75
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ,UdVNA
{ 4x[S\,20
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Y% 5eZ=z
} ZO$%[ftb
jsi!fx2Rm
同时也要修改assignment的operator() R]*K:~DM
SGlNKA},A
template < typename T2 > qK&d]6H
R
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 3>VL}Ui}
现在代码看起来就很一致了。 BsYa3d=}
@cB$iP=Z4
六. 问题2:链式操作 ~z;FP$U
现在让我们来看看如何处理链式操作。 O463I.XAP
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。 -v|qZ'
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。 zjoq6
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。 e6RPIg
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct C8i^P}y
G+\GaY[
template < typename T > 0'?L#K
struct result_1 UN<]N76!
{ Gjo`
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; u!qP
} ; h>OfOx/{q9
85xR2 <:
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: f^XOUh
{%6`!WW[
template < typename T > Ck7uJI<x
struct ref pBA7,z"`mP
{ 3WIk
typedef T & reference; O/(xj2~$J
} ; vTw>JNVI
template < typename T > GYUn6P
struct ref < T &> p,i[W.dy.'
{ jPW#(3hoE
typedef T & reference; y;@:ulv[
} ; "o}+Ciul
=P
#]
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Aj+F
|l
1Nd2{(
template < typename T > 7g}w+p>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const gQ1;],_
{ t" Z6[XG
return l(t) = r(t); _MX>#!l
} .];=Pu^
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 (n9gkO&8"
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。
`~CQU
HJYScwjQ;`
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ]1pIj
i[
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 3fQuoQuD"}
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Dy8r 9
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 cY. bO/&l
最后的布局是: ><HE;cVg?
Add l}sjD[2
/ \ K1!j fp
Divide 5 ax5<#3__
/ \ ur7q [n
_1 3 ut/=R !(K
似乎一切都解决了?不。 =D#bb<o
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 :$BCRQ
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。 A#'8X w|
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: G<rHkt@[
#d2.\X}A"3
template < typename Right > 2JcjZn
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const *w0%d1
Right & rt) const Jcm&RI"{
{ JQHvz9Yg
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); tc{sB\&-
} !6Mo]xh
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 O2dW6bt
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。 )*x6 FfTUd
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。 u-G+ j)
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。 bTs?!~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。 yT9@!]^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? 5>N2:9We
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: D#JL!A%O
>{J(>B\
template < class Action > :mn>0jK,N
class picker : public Action Cg?&wj<
{ d;9FB[MmOJ
public : ls:w8&`*
picker( const Action & act) : Action(act) {} ~d*(=G
// all the operator overloaded p/@smke
} ; 74k dsgQf
p\aaJ
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。 o;<Xo&
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: mg.kr:
DG ;_Vg
template < typename Right > q0r>2c-d
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const :~N-.#
{ ly_HWuFJ3
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 3H6lBF
} Bj-:#P@
_k~KZ;l
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > l &5QZI0I
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。 1--C~IjJ+
A='N=^Pm
template < typename T > struct picker_maker fbKkq.w
{ KP5C}ZK+s
typedef picker < constant_t < T > > result; ?8Z0Gqt74
} ; .-oxb,/
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ?FF4zI~
{ kw%};;
typedef picker < T > result; "PTZ%7YH}
} ; .NC:;@y
x&Kh>PVh\
下面总的结构就有了: p &"`RS#Z
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。 W~9tKT4
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。 qjdMqoOCjl
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 v~V!ayn)wQ
至此链式操作完美实现。 [)zP6\I
A5R<p+t6
xQXXC|T
七. 问题3 8hJ%JEzga
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。 RA'M8:$
$jI3VB
template < typename T1, typename T2 > > $7v
;Q
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const f"SD/]q-
{ m\r@@!
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ![_*(8v}S
} :^WKT
BB*f4z$Y%
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: ~8P!XAU56%
z(Pe,zES
template < typename T1, typename T2 > .e=:RkI,
struct result_2 ADP%QTdqFJ
{ Et/\xL
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; @As[k2
} ; c[4i9I3v
`e|0g"oP
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? <vh/4
这个差事就留给了holder自己。 kJzoFFWo$
6qoyiT%P&
e2t-4}
ww
template < int Order > QaS7z#/?.
class holder; h
WtVWVNL
template <> 2ZMb<b4H
class holder < 1 > e .2ib?8
{ {kCw+eXn?
public : p~^D\jR.
template < typename T > 'H&2HXw&2
struct result_1 XJ` ]ga
{ o(LFh[
typedef T & result; %gyLCTw
} ; {/(D$"j(S
template < typename T1, typename T2 > 7-
]
as$
struct result_2 bg&zo;Ck8T
{ ;/fF,L{c
typedef T1 & result; X>(TrdK_9"
} ; ~yfNxH~k
template < typename T > n}_JB>i~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ?Exv|e
{ B~JwHwIhA
return (T & )r; qx8fRIK%
} o+QE8H43
template < typename T1, typename T2 > f]|ysf
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const w' OXlR
{ I^UC&5dC
return (T1 & )r1; ^~@U]
} g -HN
} ; P+PR<ZoI{f
x:>wUhzZ
template <> E^lvbLh'
class holder < 2 > Wm"4Ae:B
{ + SFVv_n
public : I)cFG{~L
template < typename T > Hh-+/sO~"
struct result_1 %?uc><&?e
{ ;WM"cJo9
typedef T & result; Y/>&0wj)d
} ; X4AyX.p
template < typename T1, typename T2 > ZP*q4:
struct result_2 sCi s4gX.]
{ )5%'.P>
typedef T2 & result; 'EF9Zt8
} ; 5b/|!{
template < typename T > lB4GU y$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const TRQF^P3o
{ 0]=i}wL 8
return (T & )r; =aA+~/~8%
} =aj/,Q]
template < typename T1, typename T2 > KgOqbSJ
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const -/cZeQDPb
{ s3O} 6
return (T2 & )r2; &nkW1Ner9
} {u\Mj
} ; WObvbaK
Vf'd*-_!Q<
Bck7\
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 m~Bl*`~M
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: }L3 oR
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ]Nl=wZ#`
2viM)+
return l(i, j) = r(i, j); mc_ch$r!
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) n\5RAIg
r77PQQDT
return ( int & )i; 'u_t<