一. 什么是Lambda xLajso1g69
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ec;o\erPG
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, h7oo7AP
K@]4g49A/j
`/+>a8
C.-,^+t;g
class filler Dx?,=~W9
{ Q3~H{)[Kq
public : YkSl^j[DHs
void operator ()( bool & i) const {i = true ;}
8dA~\a
} ; eo?bL$A[s
BDDlQci38
%wy.TN
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ="H`V V_
RtS+<^2a;
zC!t;*8a
\gaw6S>n}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); F)QDJE0
tDcT%D {:
B9z?mt'|r)
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 mq.`X:e
7n<{tM
iYoMO["X
&p@O_0nF
二. 战前分析 3nQ`]5.Q
w
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 M6jy\<a
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 (L&d!$,Dv
H7n>Vx:L-
KZE,bi:~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Bwxd&;E
/* --------------------------------------------- */ oG\Vxg*
vector < int *> vp( 10 );
}my`K
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); d#FQc18v}k
/* --------------------------------------------- */ a1lh-2xX
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); q<1~ vA9
/* --------------------------------------------- */ Y:[u1~a
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~$^XP.a.
/* --------------------------------------------- */ &h/Xku&0
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); wc4=VC"y
/* --------------------------------------------- */ h2R::/2.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); gM:".Ee
h:|qC`}
li.;IWb0+)
sO@Tf\d
看了之后,我们可以思考一些问题: Q;rX;p^W
1._1, _2是什么? ~]2K^bh8&
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 f-Z/tfC
2._1 = 1是在做什么? x%B/
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 \4fQMG
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 I!K6o.|1
evmeqQG=
Km$\:Xo
三. 动工 JWxwJex
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: +M/%+l
\9T7A&
6'f;-2
D0f] $
template < typename T > WpvhTX
class assignment ]Y&VT7+Z
{ nxFBI D
T value; ?:0Jav
public : ECmW`#Otb)
assignment( const T & v) : value(v) {} w7L)'9
template < typename T2 > pQB."[n
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ");a3hD
} ; JxU5 fe
)^hbsMhO
qHsA1<wg
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 @H8EWTZ
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment _+MJ%'>S
W(p_.p"
OY({.uV dX
j?QDR
class holder +=)+'q]S
{ YS_;OFsd
public : "m>81-0
template < typename T > Tlr v={
assignment < T > operator = ( const T & t) const f|(M.U-
{ (/]
J3
return assignment < T > (t); dj%!I:Q>u
} 9lE_nc
} ; j'K/22
hi[pVk~B)
k9F=8q
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: yB6?`3A:
3Zh)]^
static holder _1; <OPArht
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 `M6)f?|$.
g9F?z2^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 1h5 Akq
而不用手动写一个函数对象。 apxph2yvS
>
Nr#O
kcxAd
>(RkZ}z
四. 问题分析 R G`1en
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 *8XEYZa
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Y<8vw
d
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 >LuYHr
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 9nbLg5P
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Z/J y'$x
3+bt~J0
五. 问题1:一致性 Rlirs-WQ
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?| ?z
u8)U
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Rx}Gz$
#LOwGJ$yVz
struct holder @=kSo
-SX
{ `9.r`&T6K
// xN%K^Tree
template < typename T > ;*&-C9b
T & operator ()( const T & r) const ,7b[!#?8
{ #3d(M
return (T & )r; wlmRe`R
} FxtI"g\0
} ; N}YkMJy
_<2E"PrT
这样的话assignment也必须相应改动: 7=, ; h
8HdAFRw
template < typename Left, typename Right > N,U8YO
class assignment b>9>uC@J15
{ >yh2Lri
Left l; >@AB<$A
Right r; ]M'=^32
public : N)>ID(}F1
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} yR.Ong
template < typename T2 > Dn }Jxu'(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } H 7
^/q7
} ; ^/=KK:n~
tFl"n;~T
同时,holder的operator=也需要改动: *HB-QIl
B,fo(kG
template < typename T > /|#fejPh
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const dGTsc/$
{ :P=(k2
return assignment < holder, T > ( * this , t); Oz#{S:24M+
} pFz`}?c0
S>;
5[l 4
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。 VOh4#%Vj
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 $xdy&
-1@<=jX3_
return l(rhs) = r; b\+`e b8_
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。 vgN&K@hJ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: {T ~#?v(
7 x?<*T
template < typename Tp > $]2vvr
class constant_t ?5 [=(\/.
{ ]:/Q]n^
const Tp t; 2T[9f;jM'
public : 5d!-G$@
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} '(jG[ry&T
template < typename T > 1 I",L&S1
const Tp & operator ()( const T & r) const T37XBg H
{ VTHH&$ZNq
return t; (0kK_k'T
} {+Cy U!O
} ; H~z`]5CN
Hl
|z</*+
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 B@
KQ]4-
下面就可以修改holder的operator=了 1D!<'`)AY
)IZ~G\Ra'
template < typename T > 0NX,QD
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const l0i^uMS
{ 5rZ
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 4x[S\,20
} .y:U&Rw4
?#UO./ "
同时也要修改assignment的operator() I?G: p+
CYYU7
template < typename T2 > CF5`-wj/#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } <dhM\^[
现在代码看起来就很一致了。 nwCrZW
UU0,!?o4
六. 问题2:链式操作 C8i^P}y
现在让我们来看看如何处理链式操作。 TBU&6M>{3
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 "OnGE$
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。 qPfQy
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。 a-L;*
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct _b;{_g
AbmAKA@
template < typename T > OX\F~+
struct result_1 001FmiV
{ tT?cBg{
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; p,i[W.dy.'
} ; y;@:ulv[
_/5H l`
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: pr UM-u8
p|D/;Mk
template < typename T > <
F+l
struct ref .];=Pu^
{ $aXer:
typedef T & reference; 161xAig
} ; +pn
N!:q
template < typename T > {8,J@9NU
struct ref < T &> o"R7,N0rB
{ ur7q [n
typedef T & reference; )+t0:GwP`:
} ; 2'MZ s]??w
9.B
KI/
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: /,Re"!jh
m<"WDU?y;
template < typename T > |3yL&"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const +-CtjhoS
{ F,)%?<!I
return l(t) = r(t); :^3LvPM
} JKGe"
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。 pYZ6e_j1~
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 dP]\Jo=Yh
h
Pa_VrH
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 q\p:X"j|
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: :\7X}n*&
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 HLaRGN3,
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 RxWVe-Dg
最后的布局是: Hm'=aff6A
Add +jnJ|h({
/ \ ;8{4!S&b
Divide 5 J B]q
/ \ } .y
1;.
_1 3 c?&X?<
似乎一切都解决了?不。 e 5*hE
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。 1--C~IjJ+
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。 f-G:uI_
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: 8=uu8-l8g
.-oxb,/
template < typename Right > NmJWU:W_@
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const OGg># vj,s
Right & rt) const ww $
{ p(`6hWx
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); qjdMqoOCjl
} 22M1j5
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 K<ft2anY5
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。 ,-d0b0
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。 *XbEiMJ
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。 cir$voL
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 0C
irfcs}Z
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? "ZsOd>[/
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: WR yaKM
h"_;IUZ!
template < class Action > yvHA7eq*"
class picker : public Action Et/\xL
{ !y:vLB#q
public : :xv!N*Le
picker( const Action & act) : Action(act) {} Y^7$t^&
// all the operator overloaded _Wp{[TH
} ; fW3(&@
,3p~w5C/+[
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。 T| V:$D'
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 2s&*
nvJf/90$
template < typename Right > `YLD`(\
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const L>9V&\
{ iAa.}CI,zB
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); v99B7VH4
} ?Exv|e
dzsmIV+
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 'y2nN=CN
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。 YoZFwRQU
9N<<{rQ,F
template < typename T > struct picker_maker 1[qLA!+
{ v~V5`%
typedef picker < constant_t < T > > result; (\a]"g,]v
} ; Z
X(z;|l45
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > G_{&sa
{ l@ H
typedef picker < T > result; VsgE!/>1
} ; X;B\Kj`n
LuSLkLN
下面总的结构就有了: 9{}1r2xW
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。 E4W -hq~
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。 *-q"3D`
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ^3{TZ=_;|
至此链式操作完美实现。 9:,\gw>F
KgOqbSJ
W?aI|U1
七. 问题3 c^u"I'#Q
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.h=&jz&
~ !
3I2
template < typename T1, typename T2 > qT"Q1xU[
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const |8=nL$u
{ 6morum
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); S<u-n8bv
} vj\d A2!~
tqeZ#w7
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Ikiib
WQL+
ryCI>vJz
template < typename T1, typename T2 > te
!S09(
struct result_2 ;3: q?&
{ Ucm :S-
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; H5]^
6
HwX
} ; [y)`k@
Tp?y8r
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? D]W$?(=4
这个差事就留给了holder自己。 ~aOuG5XK
\ZhfgE8{%
@@rEs40
template < int Order > r8&^>4
class holder; 9Xl5@%uz?z
template <> Z]WnG'3N
class holder < 1 > f=!VsR2o
{ P*@2.#oO
public : OY5OJ*
template < typename T > Nl9I*x^e
struct result_1 FwY&/\J7V
{ eKz?"g/j
typedef T & result; H_Kj7(=&>
} ; vZ N!Zl7S
template < typename T1, typename T2 > /43-;"%>
struct result_2 x^y" <
{ jfx8EbQ
typedef T1 & result; {W~q
z^>u4
} ; G4;3cT3'
template < typename T > :%AL\n
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const >'xGp7}y
{ 1>Dl\czn
return (T & )r;
"t$k
} N0w`!<y:c
template < typename T1, typename T2 > 7,MS '2nz
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const G,<T/f
.{$
{ .R8 HZ}3
return (T1 & )r1;
|?,[@z _,
} G #T<`>T
} ; kctzNGF|
OxtOd\0$
template <> eo!zW
class holder < 2 > :@xm-.D
{ j0GMTri3
public : {(#%N5%
template < typename T > ^*= 85iyo
struct result_1 {[t`j+J
{ lvpc*d|K
typedef T & result; Op?OruT[
} ; V~yAE@9
template < typename T1, typename T2 > EQIo5
struct result_2 9
ASb>A2~
{ ;t>Z+O%
typedef T2 & result; ia{c
} ; Grz 3{U
template < typename T > 7"*|2Xq
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const XC3Kh^
{ 5ZPzPUa8~
return (T & )r; +P`(Rf"luu
} w_4]xgS:
template < typename T1, typename T2 > 9H]Lpi^OH
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const h2;z4
{ {-:4O\/
return (T2 & )r2; n$}R/*
} ;Hz`0V
} ; |8&\N
!4DGP28
d"QM;9
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> >。 ,k`YDy|#e
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 60.[t9pk6
首先 assignment::operator(int, int)被调用: OtrXYiKB
35-DnTv
return l(i, j) = r(i, j); .YnP%X=
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) VNJDl
dM>j<JC=
return ( int & )i; Q>06dO~z8
return ( int & )j; [MSDk"o&