一. 什么是Lambda "?lm`3W"
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Zy -&g:
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, dX58nJ4u
AxN.k
;I#S m;
x 7;Zwd
class filler :jFKTG
{ !"dbK'jb^
public : ~[CtsCiQ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} -%U 15W;
} ; % 1+\N
iE|qU_2Y
S!<1CFh
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: =.]>,N`C
ww]^H$In
G2nL#l~@)
B~_='0Gm[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ;gh#8JkI
G*;}6 bj|?
tv)U 7K0
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 -bamNw>|
MBbycI,
+n
$ {6/
}^Unx W
二. 战前分析 e%v<nGN.-
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。 jDp]}d|f)
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 J#0oL_xY#
C^hHt,&
k+"+s
bsW'
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); `J>76WN
/* --------------------------------------------- */ ;?y*@*2u
vector < int *> vp( 10 ); _d$0(
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :.-z) C}
/* --------------------------------------------- */ o|s JTY
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); #L{+V?
/* --------------------------------------------- */ .Z!!x
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); RsYn6ozb
/* --------------------------------------------- */ +7jr ]kP9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); PC| U]
/* --------------------------------------------- */ 0`KB|=>
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); M1MpR+7S
5pBQ~m3
<(]e/}
w>IYrSaa>
看了之后,我们可以思考一些问题: FT1h\K|a
1._1, _2是什么? b[^=GF>e
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 KUdpOMYX
2._1 = 1是在做什么? >+[uV^2[
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 *nB fF{y
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 m[7i<'+S
IeqJ>t:
qNhQ2x\
三. 动工 -$(,&qyk
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: )
#/@Jo2F
_jw A_
8 oHyNo
\(a9rZ9
template < typename T > fq){?hk~O
class assignment OXC7
m
{ G\\zk
T value; }mjJglK!N
public : OE!:`Bo3T
assignment( const T & v) : value(v) {} o0~+%&
template < typename T2 > IED7v
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } !A"`jc~x:
} ; !af35WF
@15%fX`*o
+w-UK[p
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 v^aARIg
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment l-yQ3/:
OCzWP,
V|> u,
.,:700n+^
class holder &z-f,`yG
{ b9[KdVsT6^
public : [_jTy;E
template < typename T > _C v({m&N
assignment < T > operator = ( const T & t) const %C=
{\]-2~
{ "h/{YjUS
return assignment < T > (t); J9oGwP
} f[n#Eu}
} ; ,.`";='o
p~h=]o'i
4-`C !q
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: =:U63
jg?B][
static holder _1; C#X0Cn0ln
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 A2z%zMlZc
b|T}mn
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ;l_%;O5
而不用手动写一个函数对象。 ,Cg uY/y
Z8$@}|jN
rN)T xH&*p
H#8]Lb@@:
四. 问题分析 4A%O`&eZ
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 OHzI!,2]
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 S] Gw}d]4
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 cO2
.gQo'
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 fbSl$jn.
下面我们可以对这几个问题进行分析。 }-m/
'Q
o<e AZ
五. 问题1:一致性 N}wi<P:*)
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?| x`^~|Q
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 vJ$#m_aa
6uQfe?aD
struct holder 9hI4',(rE
{ *1V}vJvi
// fmH$1C<
template < typename T > !!ZNemXct$
T & operator ()( const T & r) const
#.0^;M5Nh
{ /<Cl\q2
A
return (T & )r; tFvti5
} 2.Ym
} ; hq/k}Y
7ZHM;_
-
这样的话assignment也必须相应改动:
SX|b0S,
$kJvPwRO
template < typename Left, typename Right > $Q1:>i@I|g
class assignment @R >4b
{ +nRO<
Left l; mq~7v1kw
Right r; KcVCA
public : w,]cFT
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ,,oiL
template < typename T2 > p"/1Kwqx
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 'DlY8rEGP
} ; (F_Wys=6
E9{Gaa/{
同时,holder的operator=也需要改动: GVZ/`^ndM
St/Hv[H'[E
template < typename T > ]j0v.[SX
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const XU.ZYYZ=
{ 38Lc|w
return assignment < holder, T > ( * this , t); Zb`}/%\7
} w:Fes
qt+vmi+~
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 YMnG-'^Z
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 r4jW=?|
=PyU9C-@
return l(rhs) = r; ?3Wh.%n
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 -yOrNir}W
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: .hlr)gF&)
wQ[~7 ,o
template < typename Tp > 3*64)Ol7t]
class constant_t DqrS5!C
{ A[v]^pv'
const Tp t; D0=D8P}H:
public : V{;Mh
u`+
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} GDP@M)~6*
template < typename T > R3wK@D
const Tp & operator ()( const T & r) const 7Q} P}9n
{ rE[*iq,#
return t;
=w0Rq~
} S0 M-$
} ; Lp20{R
n NZq`M
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 "jmi
"O*
下面就可以修改holder的operator=了 #
SV*6
!NK8_p|X
template < typename T > EUmQn8
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const .Ff;St
{ XCoN!~
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); R>BI;IcX
} =El.uBz{
E}mnGe
同时也要修改assignment的operator() 15#v|/wI'
wqyx{W`~w
template < typename T2 > ,g@U*06
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ,SuF1&4
现在代码看起来就很一致了。 { ;);E
OF,<K%A
六. 问题2:链式操作 EU
TTeFp
现在让我们来看看如何处理链式操作。 beEdH>
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。 bSU9sg\
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。 2X;,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。 BgJ;\NV
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct /A[AHJ<[?
y _>HQs,:
template < typename T > ;2@MPx
struct result_1 _sbZyL
{ ~<Uwumv
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; tx Lo=
} ; KnbT2
_;W}_p}q{
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: m*|3
{l.) *#O
template < typename T > 1$?O5.X:
struct ref 5W>i'6*
{ ny'~pT'00
typedef T & reference; .@JXV
$Z
} ; _
mhP:O
template < typename T > jL^zS XQB
struct ref < T &> 6gY5v@!w
{ rOE[c
typedef T & reference; 20d[\P(.
} ; f8+($Ys
L{N9h1]
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: KR%p*Nh+C
HviL4iO
template < typename T > >&RpfE[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ko@I]gi2
{ P )_g t
return l(t) = r(t); 3X89mIDr
} &Ph@uZ\
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。 B-|:l7
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 0Q_AF`"
;:vbOG#aSN
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 ^O6P Zm5J}
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: $d{{><
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 6Y)'p
.+g
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 [ahD%UxO5
最后的布局是: K SDo)7`
Add bk}.^m!
/ \ iE':ur<`
Divide 5 )}9Ef"v|
/ \ ^,
q\S
_1 3 L9Z:>i?
似乎一切都解决了?不。 L qMH]W
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。 ]MfT5#(6h
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。 R"];`F(#
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: gsGwf[X dJ
o>311(:
template < typename Right > L0qo/6|C
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (ST/>")L
Right & rt) const y+_GL=J
{ tcSn`+Bu_`
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); +IK~a9t
} 7]@vPr;:
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 y'*^ '
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。 b4Zkj2L
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。 HY~\e|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。 4M*UVdJ;
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。 b|u4h9
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? I{;s.2
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: q62TYg}
79n,bb5
template < class Action > 4gG&u33RrE
class picker : public Action GQ[:vX`
{ 36@)a5
public : `S2YBKz,1
picker( const Action & act) : Action(act) {} I5wf|wB-
// all the operator overloaded |t1D8){!
} ; ~=aGv%vX
Q 6{2@
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。 eA$9)K1GO
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: J~V`"uo
e57}.pF^
template < typename Right > IfF<8~~E
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const h2`W~g_
{ yP :>vFd7
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ~!E%GCyFy
} 6c^2Nl8e
4pJOJ!?
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > &q#$SU,$(
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 1?]Gl+}
w [I%Id;E
template < typename T > struct picker_maker 8|.(Y
{ v:PNt#Ta
typedef picker < constant_t < T > > result; ELk$lm&