一. 什么是Lambda "`HkAW4GZa
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 qM78s>\-h
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, E#}OIZ\S
#0>??]&r
}#):ZPTs
YbAa@Sq@
class filler ._'AJhU$0
{ z,dh?%H>X
public : hS&3D6Gt
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} @
=g
Px
} ; U[7 &
9/2VU<
K
&iKy
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: =`Ii?xo
"i>?Tg^
l@:Tw.+/9
E$l 4v>iA
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); #C^)W/dP
^f6pw!
ov;1=M~RF
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 mD@*vq
r{\c.\
R(p`H}^
TLu+5f
二. 战前分析 0C!f/EZK
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。 0PEg
`Wq
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 |pLx,#n
(~S=DFsP
lRA=IRQ]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); PgOOFRwP
/* --------------------------------------------- */ ((0nJJjz
vector < int *> vp( 10 ); 0b=1Ce+0q
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 3Ye{a<ckK
/* --------------------------------------------- */ k-it#'ll{x
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); rnAQwm-8O%
/* --------------------------------------------- */ JR6r3W
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); fh%|6k?#M
/* --------------------------------------------- */ U]Y</>xGI
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Yzr)UJl*I
/* --------------------------------------------- */ 9-:\ NH^;
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); [vv $"$z
7:/gO~gI
<|-da&7
T)c<tIr6
看了之后,我们可以思考一些问题: ,J;Cb}
1._1, _2是什么? @!'rsPrI
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。 a4d7;~tZ
2._1 = 1是在做什么? z|Y Ms?
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。 P{m(.EC_
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。 {$>Pg/
2WO5Af%
j!c~%hP
三. 动工 r=}v`
R&
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: sdp3geBYo
#jj+/>ZOi
`;j@v8n$*
HQkK8'\LP
template < typename T > nh
XVc((
class assignment 7q%xF#mK=
{ 'G>$W+lT^
T value; i0}f@pCB?X
public : E.N@qMn~
assignment( const T & v) : value(v) {} X+2uM+
template < typename T2 > gwGw
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &9Kni/
} ; -UB XWl
;cEoc(<?
;F_pF+&q
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 =\`iC6xP}
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment /@ww"dmqU
y5{Vx{V"Q
m?O~(6k@C
J?C#'2/
class holder n58yR -"
{ fI
v?HD:j
public : !!k^M"e2
template < typename T > p>N8g#G
assignment < T > operator = ( const T & t) const [$X^r<|P@
{ emSky-{$u
return assignment < T > (t); (b;Kl1Ql]
} zC,c9b
} ; X$2f)3
OwCbv j0#
q6PG=9d0B
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: 6Ki!j<
9-+N;g!q
static holder _1; KAJR.YNm
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 5) q_Aro
Xp+lpVcJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); r;^%D(
而不用手动写一个函数对象。 lqTc6@:D
r2*8.j51
\,xa_zeO
A?bqDy
四. 问题分析 9.%t9RM^
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。 iE?yvtr8
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。 b>2{F6F
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ZkJLq[:cM
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 A.vf)hO
下面我们可以对这几个问题进行分析。 PI.Zd1r
Z;<:=#
五. 问题1:一致性 KKq%'y)u^
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?| $cWt^B'
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ck< `kJ`b
~t<G gNI
struct holder .?vHoNvo
{ 8y']kVg
// 9}wI@
template < typename T > 43 vF(<r&f
T & operator ()( const T & r) const ..kFn!5(g
{ ]Cs=EZr
return (T & )r; WG&! VK
} 9W0*|!tQ,+
} ; ppo0DC\>
9
JhCSw-<)
这样的话assignment也必须相应改动: jddhX]>I
q3vv^~
template < typename Left, typename Right > _NB*+HVo
class assignment "F =NDF
{ -{}h6r
Left l; *c\XQy
Right r; boI&q>-6Re
public : 's.e"F#
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} NB4Q,iq$
template < typename T2 > Y&1N*@YP
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 3G[|4v?[<_
} ; "=w:LRw
XzPOqZ`Nv
同时,holder的operator=也需要改动: F$-f j "jC
#M||t|9iu?
template < typename T > J'ZC5Xr
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const #UE}JR3g
{ 'ieTt_1.G
return assignment < holder, T > ( * this , t); HC=ZcK'W
} 02tt.0go
2-DG6\QX|
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。 *u-$$@|y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 h\p!J-V
E~#G_opQA
return l(rhs) = r; dl"=ZI
'^
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。 0hhxTOp
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Ab]tLz|Z
2i0;b|-=
template < typename Tp > !u'xdV+bf
class constant_t "F}dZ
{ Qd~z<U l
const Tp t; \vJ0Mhk1
public : S6}_N/;6~
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} '}9 Nvr)+
template < typename T > o5j6(`#;
const Tp & operator ()( const T & r) const PZQAlO,
{ Z;V(YK(WO.
return t; {_-T! yb
} w\MWr+4
} ; 4/%fpU2
h=S7Z:IaM
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 W+GC3W
下面就可以修改holder的operator=了 Vz$xV!
,p3]`MG
template < typename T > X4]miUmh
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const eAo+w*D(
{ m 94PFD@N
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Q=8YAiCu
} bf@g*~h@
Z1jxu;O(
同时也要修改assignment的operator() f=k#o2
n?nzm "g
template < typename T2 > v$0|\)E)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } "{r8'qn
现在代码看起来就很一致了。 4b[bj").A
%L^( eTi[
六. 问题2:链式操作 6lCpf1>6@
现在让我们来看看如何处理链式操作。 jC_'6sc`
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。 mZ2CGOR
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。 :{N*Z }]
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。 U#cGd\b
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 'iF%mnJ
f]#\&"
template < typename T > u178vby;l
struct result_1 Ovc9x\N
{ JH{/0x#+
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; "5L?RkFi\
} ; >t.Lc.
%'ah,2a%
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: =y-yHRC7
.SjJG67OyA
template < typename T > 1&! i:F#
struct ref "D8WdV(
{ r:$tvT*
typedef T & reference; \?]U*)B.r
} ; L'r&'y[
template < typename T > z?<B@\~
struct ref < T &> lHtywZ@%3
{ rbnAC*y8'L
typedef T & reference; %SOXw8-
} ; r@}`Sw]@
>zqaV@T
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 4/|x^Ky>G
BK%.wi
template < typename T > `@
YV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const sBB[u'h!
{ #lrwKHZ+
return l(t) = r(t); X+ITW#
} 2zqaR[C
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。 l>K+4
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 cN0
*<
1R3,Z8j'
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 6`O,mpPu4G
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ru@#s2
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 PkrVQH9^w
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #?Kw
y
最后的布局是: 0:
a2ER|J
Add $*942. =Q
/ \ ns%gb!FBJX
Divide 5 :-}K:ucaj
/ \ b"A,q
_1 3 0t?o6e
似乎一切都解决了?不。 k7Bh[ ..!
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 )`rD]0ua;
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 I4G0!"T+
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: LWv<mtuYf
b'\Q/;oz>
template < typename Right > Q3tyK{JE
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const y<kUGsD
Right & rt) const &'$Bk5 D@G
{ $uHQl#!;
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); LAlwQ^v|
} {/]2~!
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 R|8vdZ%@
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。 JY2<ECO
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。 `jGeS[FhR
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。
xcr2|
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。 GMJ4v S
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? EjLq&QR.
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: $KYGQP
WVRIq'
template < class Action > `s)4F~aVo
class picker : public Action V?j,$LixY
{ ?{qUn8f2
public : g %mCgP
picker( const Action & act) : Action(act) {} PP$sdmo
// all the operator overloaded (M$0'BV0
} ; s{@R|5
a2B71 RT~
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 4W"A*A
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: [*^.$s(
,gVVYH?qR
template < typename Right > E`oA(x7l
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const E xhih^[_
{ m"9f(
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); `f; w
} $_"u2"p
t`z "=S
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 0~fjY^(
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 vHf)gi}O|
=$J(]KPv!?
template < typename T > struct picker_maker 4CF;>b
f~
{ +
f67y
typedef picker < constant_t < T > > result; p[C"K0>:_F
} ; P:'wSE91
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > :')[pO_FW*
{ H ni^S
typedef picker < T > result; @e)}#kN.
} ; f256;3n
X%'z
下面总的结构就有了: |T6K?:U7
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。 [Kwj
7q`
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。 }n==^2
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 wtek5C^
至此链式操作完美实现。 \Osu1]Jn>
WiytHuUF
ZRxOXt&;
七. 问题3 ?$6H',u
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。 T#Z&*
rw'+2\
template < typename T1, typename T2 > '(5GRI<
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const GM6,LzH
{ lD,2])>
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); J 6KHc^,7
} :/T\E\Qr
8 ??-H0P
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: a&_