一. 什么是Lambda 2'|XtSj
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 gj[zka0_
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, j6RJC
Lblet
J-b~4
%l%=Dkss
class filler 6W]OpM
{ `!<x"xKu
public : 2.!1kije
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} F9v)R#u~
} ; "OVi /:*B
0
-!?W
`S5>0r5[
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: g%+ql[(4
,eyp$^ 2
4P`PmQ=GQh
8I<_w4fC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ]"C| qR*
gHp'3SnS
3L?WTS6(u
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 2;3x,<Cg
c5Z;%v |y
\)uy"+ Z`
jkZ_c!
二. 战前分析 {bW"~_6}
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。 *Ro8W-+
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 ( P
bta0?O
#
d]^\w'w$
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); mipi]*ZfXE
/* --------------------------------------------- */ 32M6EEmPG
vector < int *> vp( 10 ); p
Z0=
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); &*X3ch
/* --------------------------------------------- */ RmcYaj^=
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); w g$D@E7
/* --------------------------------------------- */ cjCE3V9X
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ]R97n|s_
/* --------------------------------------------- */ e@='Q H
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); }".\
4B$n
/* --------------------------------------------- */ HR/k{"8W4Q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); , LCH2r
e}{8a9J<%_
113Z@F
d)`nxnbMeM
看了之后,我们可以思考一些问题: }`+O$0A
1._1, _2是什么? c.|sW2/
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。
s98: *o3
2._1 = 1是在做什么? qkIA,Kgy
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。 MsN2A6|33
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。 3MS3O.0]/
Y2RxD\!Z
AlPL;^Y_l
三. 动工 F?yh23&_4
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: *Y|lO
v*vub#wP
cP}5}+
(.jO:#eE%
template < typename T > B`'}&6jr.
class assignment f ~n' Ki+'
{ -ucz+{
T value; e#76h;
public : 0lvb{Zd
assignment( const T & v) : value(v) {} ~FK+bF?%
template < typename T2 > Z7K!"I
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } LaAgoarN
} ; ":(Cpf0
$=;bccIob
*YiD B?Si
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Q rrZF.
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment f4@#pnJ3po
3RTB~K8:{
f"}0j|Gg
;I0yQlx|U
class holder @n~ND).
{ RN cI]oJ
public : DI2S
%Nl
template < typename T > DcFV^8O&
assignment < T > operator = ( const T & t) const .q'FSEkMJ
{ h:US]ZC^Z
return assignment < T > (t); K2vPj|
} !'6J;Fb#
} ; t&p:vXF2
l1`c?Y
JY;#]'T\;
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: X~<>K/}u5
D%5 {A=
static holder _1; YA/H;707l
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 W+-f `
mtHi9).,y|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); +wPvQKVfI
而不用手动写一个函数对象。 *I;Mp
G%W03c
n=#[Mi $Y
<iY 9cV|}3
四. 问题分析 @/ovdf{
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 Z)Xq!]~/g
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 pqNoL*
H
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Di5Op(S((
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 B=nx8s
下面我们可以对这几个问题进行分析。 % 'L=
#!F8n` C-
五. 问题1:一致性 s3fGX|;
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| @%5F^Vbd
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 @)M.u3{\
)9;kzp/
struct holder 2Xk1AS
{ z<C~DH
// Vv*5{_
template < typename T > rnt$BB[g
T & operator ()( const T & r) const =,}!Ns{k
{ 2[bR6 T89
return (T & )r; hF{mm(qyv
} L52z
} ;
,"HpV
n
B|C-.F
这样的话assignment也必须相应改动: ROI$;B(
4tN~UMw?
template < typename Left, typename Right > "MVN/Gl
class assignment E'6z7m.
{ &<;nl^
Left l; I?xhak1)lu
Right r; ^LAS9K1.
public : &opH\wa
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Yh!\:9@(
template < typename T2 > ;-P:$zw9c
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } M. UUA?d<'
} ; vA $BBXX
D\i8rqU/l
同时,holder的operator=也需要改动: jind!@}!
,hcBiL/
template < typename T > ?)ZLxLV::
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ,\">o vV33
{ k?_$h<Y
return assignment < holder, T > ( * this , t); %>QSeX
} e[Ul"pMvS`
l=.InSuLT
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。 DyV[+P
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 (j\UoKLRt
TTjjyZ@
return l(rhs) = r; )}k`X<~k
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。 >?Y3WPB<F
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: !-Tmu
dIe 6:s
template < typename Tp > cVt$#A)
class constant_t P|QnZ){
{ YJ;a{)e
const Tp t; _a02#
public : "q#g/T
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} yyYbB ]D
template < typename T > s</ktPtu
const Tp & operator ()( const T & r) const iS^^Z ZyR
{ (5\d[||9g
return t; 1 bx^Pt)
} dXr
!_)i
} ; $[9V'K
PfMOc+ q
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 NhaeAD
$e
下面就可以修改holder的operator=了 % w/1Uo24
r:b.>5CS)
template < typename T > `[R:L.H1
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const doUqUak
{ 7.=s1~p
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); xo@/k
} fxCPGj
?>Ci`XlLr
同时也要修改assignment的operator() N =}Z#
Bk(XJAjY
template < typename T2 > Kh_>V m/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Pn){xfqDl
现在代码看起来就很一致了。 x[<#mt
MhXm-<4
六. 问题2:链式操作 E;*TRr><
现在让我们来看看如何处理链式操作。 &S`'o%B
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ,}$x'8v
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。 i7E7%~S
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。 |r!Qhb.!
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct .ceU @^
jT_Tx\k
template < typename T > gf8U &;
struct result_1 )=y6s^}
{ 2G*#Czr"
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; IOsDVIXL\
} ; 7o%|R2mL}
Lr]Hvd
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: Cl){sP=8W
Fd=`9N9
template < typename T > "PP0PL^5F
struct ref B$eF@v"
{ 2:0Y'\nn
typedef T & reference; V)?g4M3}
} ; ~ZIRCTQ"
template < typename T > P_Ja?)GT
struct ref < T &> Tm,L?Jh
{ Q>Q}/{8!
typedef T & reference; "uNxKLDB
} ; i2c<q0u
8?R_O}U
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: \r&@3a.>
n Fn`>kQ
template < typename T > g#&##f
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const {:j!@w 3
{ d|HM
return l(t) = r(t); f@X*Tlx^|
} eNskuG|1
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Oc=PJf%D#
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 L*Cf&c`8r
qf {B
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 Z-V%lRQ=b
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: LR.+CxQ
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 )4C6+63OD&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 -C]a2
最后的布局是: ~#Mx&mZ
Add U~c;W@T
/ \ xL"o)]a=
Divide 5 nlnJJM&J$
/ \ M- A}(r +J
_1 3 I=-;*3g6
似乎一切都解决了?不。 73<yrBxp
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。 oVgNG!/c0
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。 u{d`
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: d+)L\
`4
Bbp9Q,4
template < typename Right > 1#uw^{n
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (`*wiu+i
Right & rt) const Ku'U^=bVm:
{ {bEEQCweNJ
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); pdu
} xb;mm9H
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 uwzT? C A6
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。 pP&M]'
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。 {HDlv[O%
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。 TR20{8"
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。 )T_#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? _
RYZyw
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: z$b!J$A1
'+wTrW m~j
template < class Action > 55\mQ|.Jn
class picker : public Action >S]')O$c
{ E]Q)pZ{Jb
public : }lVUa{ubf
picker( const Action & act) : Action(act) {} aoS1Yt'@
// all the operator overloaded J>35q'nN]F
} ; T(DE^E@a
7a net
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 _{%H*PxTn=
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 8E{>czF"
QeoDq
template < typename Right > 5c8x:
e@
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const x
,W+:l9~s
{ ^Du_e(TiyK
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2hP8ZfvIR
} .VT,,0
6npwu5!
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > a$m?if=
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。 %b9M\
f -5ZXpWs'
template < typename T > struct picker_maker 9m{rQ P/
{ *Q?HaG|S
typedef picker < constant_t < T > > result; dGe
} ; CS49M
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > yk/XfwQ5
{ "5K:"m
typedef picker < T > result; ^da-R;o]
} ; (n\
cs$
%<t/xAge
下面总的结构就有了: 4y]*"(sQ;
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。 tP-c>|cz
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。 =_Rd0,
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 e<K=Q$U.
至此链式操作完美实现。 }{J8U2])k
}: e9\r)
Pif1sL6'
七. 问题3 +8M{y D9#
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。 ~4 ab\hq
:|Cf$2k7
template < typename T1, typename T2 > 9tO_hhEQ@
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Ai;Pht9qi
{ -5K/ cK
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 2X`M&)"X
} Yi`.zm
al/~
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: Nsq%b?#
=[kv@p
template < typename T1, typename T2 > UuGv= yC^6
struct result_2 ^&By