一. 什么是Lambda I JAWG
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 eY1$smh t
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, BEzF'<Z
93npzpge
?>W4*8(
6Q._zk
class filler # N.(ZP
{ %?3\gFvBo
public : $(6 .K-D
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} LA.xLU3
} ; 6%B5hv24v
Ppzd.=E
^c{,QS{
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: '}{J;moB
N'nqVYTU
,/;mK_6
U8z$=Wo
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); I%NPc4p
|6pNe T[
-m:i~^
u
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 d4#Q<!r
`!j|Ym
XACbDKyS
P/'~&*m-
二. 战前分析 cia4!-#
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。 /QsFeH
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 ^ )Lh5
o AkF
?[K+Ym+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); w`vJE!4B
/* --------------------------------------------- */ iTt"Ik'
vector < int *> vp( 10 ); Ab<4F7
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); -k
p~pe*T
/* --------------------------------------------- */ ,))UQ7N
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); {P_~_5o_
/* --------------------------------------------- */ >69+e+|I
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ,Z;z}{.hq
/* --------------------------------------------- */ nz|;6?LCLY
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); NW`.RGLI<
/* --------------------------------------------- */ xP.B,1\X
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); d]OoJK9&&
bc"E=z
}TZ5/zn.Dw
_,i]ra{%
看了之后,我们可以思考一些问题: 3:i4DBp,i
1._1, _2是什么? bUC-}
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。 _M+'30
2._1 = 1是在做什么? oAX -Sg-/$
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。 aXyu%<@k
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。 EOrWax@k$}
~(tZW
K h9 $
三. 动工 :z^ps0
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 5#.uA_Fov
ObIi$uJX
TR,,=3n
J_s?e#s
template < typename T > J'4{+Q_pa
class assignment }(AUe5aw`G
{ t@1e9uR
T value; BciwS_Qx
public : ^CTgo,uf6H
assignment( const T & v) : value(v) {} p3:x\P<|
template < typename T2 > cve(pkl
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } +(5 H$O{h
} ; owTW_V
?#xNz=V
$EbxV"b+
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 2#LcL
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment pr\yc
kL^;^!Nt
5nr}5bum
lnW/T --
class holder sJX/YGHt
{ >U^AIaW
public : -gh',)R
template < typename T > -[s*R%w
assignment < T > operator = ( const T & t) const 0k>NuIIP
{ J={$q1@lq
return assignment < T > (t); Z!C\n[R/
} -Q;5A;sr2
} ; _> .TB\
N~ljU;wo-9
9u1)Kr=e
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: )_b#c+
yw5MlZ4P=
static holder _1; Mk=
tS+
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Hjli)*ev
*}3e'0`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); jK\2y|&&c
而不用手动写一个函数对象。 K;G1cFFyG
\~Zj](#
;C-5R U
V
m?xzx^xs/
四. 问题分析 !,Wd$UK
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 BnqAv xX
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 =2bW"gs
I
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 je.jui"
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。
}nYm^Yh
下面我们可以对这几个问题进行分析。 SY["(vP%#
kmM_Af&
五. 问题1:一致性 JiP]FJ;
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| &6,GX7]Fo
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 *%'4.He7V
h$~ NPX
struct holder %|Gi'-'|b$
{ YWM$%
// 9x&,`95O
template < typename T > Mq42^m:qe
T & operator ()( const T & r) const d6<,R;)
{ u.0Z)j}N
return (T & )r; nTY`1w.;
} @.T'
} ; |A7Yv
:D-d`OyjG>
这样的话assignment也必须相应改动: Ka2U@fK"
`?rPs8+R
template < typename Left, typename Right > @fT*fv
class assignment :q;vZ6Xd
{ Vlce^\s;
Left l; (iGk]Rtzt
Right r; 5|xFY/%
public : G-Z_pGer^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 9+9}^B5@A
template < typename T2 > '/b,3:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } $WnK
} ; #@Zz
Bf
V>@NkQ<|y
同时,holder的operator=也需要改动: aC X](sN
dI-=0v-|
template < typename T > w48T?
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const
q>r9ooN
{ y .S0^
return assignment < holder, T > ( * this , t); A2uSH@4
} sqei(OXy
CCp{ZH s
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 W$B>O
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。
v%/_*69a
%H~q3|z
return l(rhs) = r; Mmbb}(<
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。 SYB
}
e
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: waQNX7Xdn
HvK<>9
template < typename Tp > ;yY>SaQ
class constant_t 3A4?9>g)KU
{ :r:5a(sq
const Tp t; ep3_G\m
public : !s?vj
<
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} joAR;J
template < typename T > wz9V)_V*
const Tp & operator ()( const T & r) const sJ7r9O`x
{ KKa"Ba$g
return t; E0>4Q\n{
} .gv J;A7
} ; Ngu+V
_I&0HRi
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 QSAz:Yvf|
下面就可以修改holder的operator=了 G#Nh)ff
. CLiv
template < typename T > =:1f
0QF
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 3kdTteyy+
{ @&S4j]rq
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 4bhm1Q
} *r?g&Vw$m
4NQS'*%D
同时也要修改assignment的operator() TPq5"mco
b3H~a2"d
template < typename T2 > t=~al8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } JQ%e'
现在代码看起来就很一致了。 6t*pV
[
-/B}XNW
六. 问题2:链式操作 CP |N2rb
现在让我们来看看如何处理链式操作。 lK9us
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。 ]b.@i&M
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。 #|GP]`YT
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。 Od>Ta_
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct SvAz9>N4
:'f#0 ox
template < typename T > aa.EtKl
struct result_1 l\ts!p4f$
{ hp%|n:.G
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; j S')!Wcu
} ; =KmjCz:
XtNe) Ry
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: vXR-#MS`}
oS/<)>\Gv
template < typename T > V Z}^1e
struct ref T#|Qexz6 @
{ 8QE0J$d5
typedef T & reference; l-XiQ#-{
} ; {uL<$;#i
template < typename T > :7e2O!zH_
struct ref < T &> ya5;C"
{ pTST\0?
typedef T & reference; ]N:SB
} ; /$! /F@^
37v!:xF!
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: gJ+MoAM"
AVOzx00U
template < typename T > Ii?<Lz
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const & *B@qQ
{ y)"aQJ>
return l(t) = r(t); Qa5<go{
} 9 @!Og(l
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 LU?X|{z
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 c`#E#
]V6<h Psi
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 Ib*l{cxN
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: @8HTC|_vX
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 5MQD:K2
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 !\}Dxt
最后的布局是: U!XC-RA3
_
Add SWz+.W{KQ"
/ \ e/r41
Divide 5 UkG|5P`
/ \ bVQLj}%
_1 3 Lf3Ri/@ p
似乎一切都解决了?不。 [~W"$sT
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。 drBWo|/
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。 !<h*\%;
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: z.
VuY3
YKJk)%;+w
template < typename Right > );kO27dg
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const aG%KiJ7KEN
Right & rt) const `ihlKFX
{ `pn]jpW9
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ua/A &XQx
} ecA:y!N
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 g:dw%h
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。 mv/'H^"[_
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。 `4'v)!?
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。 NN\% X3ri"
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。 lf4-Ci*X
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? k_r12Bu
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: pD9*WKEf*
yc8iT`
template < class Action > SuB;Nb7r`
class picker : public Action c_~)#F%P
{ [uT&sZxmg
public : TbXp%O:[W
picker( const Action & act) : Action(act) {} Lp5LRw
// all the operator overloaded >to NGGU=~
} ; [<