一. 什么是Lambda C*C;n4 AT
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 \x(ILk|'c
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, 39!$x[
p$S\l] ,
f[wA]&
vGIe"$hNh
class filler C]- !uLy
{ JA<Hm.V#
public : 8*$HS.Db'
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} *PF}L%K(?
} ; Qo%IZw$l
/[<1D|f%
Mtw7aK
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: k1h>8z.Tg
:U{$G(
<
GJeP~
p#QR^|7"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); #'qDNY@ w}
@,\J\ rb
l(~i>iQ
4
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ^J]_O_ee$
Cu\6VnW_6
(gQr?K
9-`P\/
二. 战前分析 &%=]lP]
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。 *mVQN1
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 :4\=xGiY
exP:lO_0n
4S7#B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); aS
$ J `
/* --------------------------------------------- */ qRbU@o.3
vector < int *> vp( 10 ); ~'.SmXZs
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); WBd$#V3
/* --------------------------------------------- */
EjF2mkA*
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); .0a,%o8n
/* --------------------------------------------- */ E&_q"jJRi
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ?cvV~&$gc
/* --------------------------------------------- */ r`OC5IoQ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 0nu&JQ
/* --------------------------------------------- */ b;2[E/JKB
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); +qiI;C_P\
-(FhjIr
n@PXC8}
`P43O gA
看了之后,我们可以思考一些问题: />0
Bm`A
1._1, _2是什么? >U9JbkeF
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。 "?n;dXYSi
2._1 = 1是在做什么? +YFA Zv7`
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。 cAQ_/>
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。 Vm8rQFCp74
\b6vu^;p
G)8H9EV
三. 动工 ]ME2V
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 5\jzIB_?
ZQ)vvD<
v"v-c!k
v~AD7k2{8
template < typename T > C9VtRq
class assignment p?H2W-
{ ZP(T=Q
T value; p\G1O*Z
public : WMXxP gik
assignment( const T & v) : value(v) {} }9*N EU)o
template < typename T2 > {=Z _L?j
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } m2j]wUh"
} ; &0k`=?v$
!;U;5 e=0
87ptab@
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 k+%c8w 9
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment FE4P
EBXvu
g}gOAN3.
6Z>G%yK
{;^GKb+
class holder 1> 'xmp+#
{ -E+LA
public : ?Hrj}K27
template < typename T > VC.zmCglo^
assignment < T > operator = ( const T & t) const XbYST%|.
{ Q*W$!ZUT
return assignment < T > (t); UPGS/Xs]1
} s)-O{5;U
} ; pkEx.R)
GWCU9n
?d5_{*]+v
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 8 \Uy
gaC[%M
static holder _1; j|DjO?._'
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ,(v=ZeI
r=Od%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4OTrMT$y
而不用手动写一个函数对象。 D0*+7n3
4sM9~zC5
%uQOAe55
(4Ha'uqz
四. 问题分析 *OU&`\bmE
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。 fI"OzIJV
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。 VxqoE]Dh
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 qL2Sv(A Z!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 D^<5gRK?
下面我们可以对这几个问题进行分析。 I/k/5
X ApSKJ
五. 问题1:一致性 D&|HS!
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?| 1`F25DhhY
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 `+]e}*7$f
XgPZcOzYB
struct holder
PE&$2(
{ d8N4@3 CkL
// ,wB)hp
template < typename T > L
4Sa,ZL
T & operator ()( const T & r) const [+(fN
{ c1}i|7/XSi
return (T & )r; ewOe A|
} \o<&s{6L
} ; ?O.'_YS
01">$
这样的话assignment也必须相应改动: Gr|IM,5P4
8!|LJI
template < typename Left, typename Right > !D~\uW1b
class assignment /"
6Gh'
{ +OeoA{-W
Left l; jm&PGZ#n=R
Right r; J5L[)Gd)D
public : aBT8mK -.
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 0RGqpJxk
template < typename T2 > CQh6;[\:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } |TRl>1rv
} ; ~^v*f
/ 0y5/
同时,holder的operator=也需要改动: =(Pk7{
IcUE=J
template < typename T > (Nn)_caVb
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const JXqwy^f
{
XM<
return assignment < holder, T > ( * this , t); -}KW"#9c
} >d<tcaB
<hB~|a<#
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。 G`R_kg9$
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 l*]nvd_
3}x6IM2
return l(rhs) = r; $&KiN82,
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。 M <ccfU!
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: >gZ"^iW
o!sHK9hvJ)
template < typename Tp > TSKR~3D#
class constant_t ^.u
J]k0
{ XT{o
]S~nq
const Tp t; ;s!GpO7 +
public : |v@ zyOq&b
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} U{ZKxE
template < typename T > }ZkGH}K_}
const Tp & operator ()( const T & r) const {9|S,<9
{ Hr!%L*h?
return t; 5Tiap8x+<
} TykY> cl
} ; KYC<*1k
>+F +"NAN
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 t&nK5p95(
下面就可以修改holder的operator=了 b0h >q $b
F:'>zB]-}
template < typename T > ^#&PTq>
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const j38>5DM6L
{ f (ug3(j
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 0*50uK=5
} Azag*M?
G[s/M\l
同时也要修改assignment的operator() 4{#0ci{
yCZ[z
A
template < typename T2 > ]6;oS-4gu?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ]Ag{#GJ5D
现在代码看起来就很一致了。 I^!c1S
tN-B`d1
六. 问题2:链式操作 7-2,|(Xg
现在让我们来看看如何处理链式操作。 &U{"dJ r
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。 C)|#z/"
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。 KJCi4O&
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。 B5MEE
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct v\Edf;(
P;[>TCs ]8
template < typename T > *FC26_pH
struct result_1 EQ2HQz]
{ v0,&wdi
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; O^<\]_l
} ;
3y]rhB
+Q&CIo
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: H;Cv]-
k*o>ZpjNH
template < typename T > gtJCvVj>g
struct ref Ahrtl6@AS
{ &d&nsQ
typedef T & reference; *>J45U(6:
} ; g <5G#
template < typename T > "-A@d&5.
struct ref < T &> `!7QegJa"
{ oxJ#NGD
typedef T & reference; ^|lG9z%Foy
} ; 02mu%|"
8npjQ;%4>
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 5gH'CzU?
m"tke'a
template < typename T > %tZ[wwt
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ;7bY>zc(w
{ /*hS0xN*
return l(t) = r(t); 7,,#f&jP
} y];@ M<<?e
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。 @j+X>TD
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 'Z`fZ5q
_VI3b$
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 p5 )+R/
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: )ioIn`g^-
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 fhbILg
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 D0@d}N
最后的布局是: ]R6Z(^XT,E
Add vH/Y]Am
/ \ 9<6Hs3|.!
Divide 5 A:YWXcg
/ \ <PTi>C8;r
_1 3 VIg=|Oe),
似乎一切都解决了?不。 <G#z;]N
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。 nQM7@"R
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。 QliP9-im3
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: XaR(~2
g@IYD
template < typename Right > 9}Qrb@DT
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 7kH
GU
Right & rt) const KSy.
{ Eumdv#Qg
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5H
|<h
} 9Li.B1j
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 _~_6qTv-d
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。 WDQw)EUl&
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。 iBPx97a
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。 [Se0+\,&
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。 v9+1[Y";
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? $,#,yl ol
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: ?,Zc{
{#J1D*?$"
template < class Action > >? ({
class picker : public Action W.VyH|?
{ 3-$w5O3}
public : HP*AN@>Kw
picker( const Action & act) : Action(act) {} |,OTGZgc
// all the operator overloaded Ehf3L |9
} ; 6v9A7g;4.
}Q%fY(bp
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 8I|2yvhP
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: |q*s)8
Rhil]|a/
template < typename Right > NJTC+`Hm
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const N~@VZbS(6
{ `-[+(+["
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); LTt|"D
} 1$adX
sKuPV
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 7{:g|dX
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。 5N4[hQrVJ
B^sHFc""V
template < typename T > struct picker_maker Zfn390 _
{ (VA:`pstP
typedef picker < constant_t < T > > result; 'P5|[du+
} ; =| M[JPr
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > >
20p/p~<
{ g w`}eA$
typedef picker < T > result; <6)
w
} ; 'hw_ew
l#G }j^Q
下面总的结构就有了: 60St99@O
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。 Ro oem dCM
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。 "JCvsCe
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Al(u|LbQ
至此链式操作完美实现。 \qh
-fW; #
.4-I^W"1
POCF T0R}
七. 问题3 zO07X*Bw
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。 (6Sf#M
o4g<[X)
template < typename T1, typename T2 > Uv"GG:
K_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const niIjatT
{ HJ,sZ4*]]
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); $S0eERga
} =#c?g Wb56
34P5[j!h
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: Fl^}tC
ET7(n0*P}]
template < typename T1, typename T2 > 4? a!6
struct result_2 2!^[x~t
{ `X7ns?
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; (iZE}qf7g
} ; v|v^(P,o
k$7@@?<
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? !B_?_ a
这个差事就留给了holder自己。 <