一. 什么是Lambda 2Kf/I d1
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 tfN[-3)Z
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, Scx!h. \5
|?#JCG
)
$_1U!z
u5Vgi0}A
class filler N<8\.z5:<
{ lKw-C[
public : Ku%tM7 ad
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |$b8(g$s)
} ; L2,2Sn*4i
e`s1z|h
/wLGf]0
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 5E-;4o;RI(
=T,Q7Dh
nj'5iiV`]
0\{dt4nW&O
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 4hy-M>!D|
h@Ea5x
L?j0t*do
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 E<Zf!!3
W06#|8,{v
Ig t*8px
XQ]vJQYIR
二. 战前分析 (<r)xkn
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 T2MC`s|`
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 @T~XwJ~
0#9H;j<Op
JI[8n$pr]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); hHN[K
/* --------------------------------------------- */ iR nj N
vector < int *> vp( 10 ); &liON1GLM
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ]JjS$VMauX
/* --------------------------------------------- */ Q?i_Nl/|
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); "-$}GUK?Z
/* --------------------------------------------- */ .DhI3'Jrl
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); FC] *^B
/* --------------------------------------------- */ <E4(KE
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); j|[rT^b@
/* --------------------------------------------- */ z3uR1vF'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Y7.+
Ma#|
=G:Krc8w@
q*UHzE:LI
V|MHDMD=
看了之后,我们可以思考一些问题: K9#kdo1 2
1._1, _2是什么? E:x@O8F
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。 no3yzF3Hi
2._1 = 1是在做什么? X\h.@+f=
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。 hn8xs5vN
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。 [t?tLUg|6
'z.
GAR
* @4@eQF
三. 动工 ayA;6Qt
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: u2oS Ci
+c))fPuV
<a"(B*bBd
=HCEUB9Fs
template < typename T > jw:z2:0~
class assignment YGo?%.X
{ 7#R)+
T value; uvbVb"\"Yk
public : mH$tG
$
assignment( const T & v) : value(v) {} ?:\/-y)Sp
template < typename T2 > 7%Y`j/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ?}KRAtJ8
} ; D5lQ0_IeW
@wR3L:@
i//H5D3
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 y0d=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment %
"(&a'B
EB[T 5{
*D?_,s
pN[WYM?[
class holder 7[1Lh'u
{
Z_q+Ac{p
public : mXRkR.zu+
template < typename T > |{ N{VK
assignment < T > operator = ( const T & t) const s * (a
{ ai_ve[A
return assignment < T > (t); 2<@2_wSJ
} U!(.i1^n
} ; KoERg&fY
v&d1ACctJ
hp~q!Q1=
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: =LaEEL
%+~\I\)1
static holder _1; `WayR^ 9
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 cyCh^- <l@
}^&S^N7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); v6*0@/L
M
而不用手动写一个函数对象。 Hm2Y%
4i%
nJ;^Sz17Q
7zG
r+Px
g+#awi7
四. 问题分析 ["3dr@T9Z
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。 Y}ogwg&
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。 u9!
?
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 a:cci?cb
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 bIU.C|h@
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2o SM|
FP=B/!g
五. 问题1:一致性 i\sBey ND"
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?| P6v ANL-B
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 oqJYbim
,CqWm9
struct holder 83vMj$P
{ Cab.a)o
// ,\M77V
template < typename T > uBlPwb,V
T & operator ()( const T & r) const ? "I %K%
{ 4LTm&+(5
return (T & )r; 1iF=~@Nz_
} aw*]b.f
} ; :r*hY$v
4#IT" i
这样的话assignment也必须相应改动: njs:
J
p?XV<3Z
template < typename Left, typename Right > yNI0Do
2
class assignment `Z;Z^c
{ k6bct@7
Left l; TE
Z%|5(]
Right r; \;&;K'
public : m'"r<]pB*4
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 3F;C{P!
template < typename T2 > a}yb~:TC
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } +9Tc.3vQ
} ; u$d[&|`>_
l 2Sar1~1
同时,holder的operator=也需要改动: g#$ C8k
LzU'6ah';5
template < typename T > PBn7{( x
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ~[Tcl
{ *Ypn@YpSp
return assignment < holder, T > ( * this , t); ga
+,
P
} I-R7+o
AX v
q~XE
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。 B'yjMY![
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 nqy*>X`
dL0Q8d\^T
return l(rhs) = r; DzpWU8j
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。 YZf{."Opj[
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: q=X<QhK
uz!8=,DFw
template < typename Tp > _WZx].|A=
class constant_t 9Vt
^q%DC
{ )-4c@
const Tp t; 6$b=Tr=0
public : =2 HY]H
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} }+!"mJx@
template < typename T > eke[{%L
const Tp & operator ()( const T & r) const C'I&<
{ 4;YP\{u
return t; =p;cJ%#2]'
} O<$w-(
} ; `Q*`\-8J
-YQh
F;/
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4V:W 8k 9D
下面就可以修改holder的operator=了 6y^
zC?
Y~}MfRE3z
template < typename T > J,W$\V]p
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const R[m-jUL
{ li%@HdA!
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); gkmof^
} fS"u"]j*e
;T^s&/>E
同时也要修改assignment的operator() Y!M0JSaM
@|:fm()
<
template < typename T2 > fK7
?"^`/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } X`g<"Ka
现在代码看起来就很一致了。 +<\LY(o
v\w*VCjoV
六. 问题2:链式操作 VrW]|jIu*
现在让我们来看看如何处理链式操作。 51ViJdZ
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 iM8Cw/DS
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Kl. *Q
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Hdyl]q-(P
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct (3N/DY1/
~m fG
Yk"
template < typename T > h!wq&Vi4
struct result_1 9Buss+K?/h
{ Sd6O?&(
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; h?TIxo:6/
} ; |}d^lQ9
.M:&Aj)x16
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: zYM2`(Z
5B
pBAAwHD
template < typename T > ?Q_ @@)
struct ref 7NJl+*u
{ \8#[AD*@s2
typedef T & reference; Cj#wY
} ; ]n4PM=hz
template < typename T > /cClV"S*G
struct ref < T &> {eU>E/SQ
{ CY?J$sN
typedef T & reference; -|'@:cIZ
} ; ir'<H<t2
PZ/tkw
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: FqJd
q+ 2v9K@
template < typename T > e/b
|
sl
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 8lFYk`|g
{ -unQ4G
return l(t) = r(t); O`Y@U?^N
} :u`gjj$:s
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 }poLHS/
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Yy0U2N[i
lUIh0%O
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 7QdboEa
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: yG2rAG_G&
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 fyEXnmB;
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 +zf`_1+)U
最后的布局是: Nz>xilU'
Add Ac'pu,v
/ \ ]JQ}9"p=5
Divide 5 Z5eM
/ \ {wD:!\5
_1 3 vG:S(/\>
似乎一切都解决了?不。 nh? JiH
{
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 9B/iQCFtj$
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。 D*'sO B(
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: S59^$
Q@[ (0R1
template < typename Right > wW7# M
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const xy]oj
Right & rt) const NH4T*R)Vz
{ gOr%N!5
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ]IH1_?HgP7
} ?8FJMFv;4%
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 %$N,6}n
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 5p ,HkV
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 K^IB1U$
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。 o|w
w>m
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。 y"k%Wa`*
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? K/_"ybR7
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: 7bQST0 ?
sF3@7~m4
template < class Action > (9b%'@A@m
class picker : public Action zm3$)*p1
{ Kw(S<~9-@
public : 5> !N)pA
picker( const Action & act) : Action(act) {} BS%pS(
// all the operator overloaded Rm`P.;%
} ; q2/kegAT
@}pcj2K#
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 S0ltj8t
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: sQ+s3x1y
-/Zy{2 <u
template < typename Right > &?5me:aU
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const <d O~;
{ (\nEU! Y
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); l| y.6v
} FL b
p)VMYu
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > s>%.bAxc
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 "{Hl! Zq/
(M<l}pl)
template < typename T > struct picker_maker z]D/Qr
{ MI-S}Qoe
typedef picker < constant_t < T > > result; <$ qT(3w<y
} ; '}:(y$9.`
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ia,5=SKJ
{ Z<QNzJ D
typedef picker < T > result; wd3OuDrU
} ; CR;E*I${
""Oir!4
下面总的结构就有了: !tb!%8{~
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。 @|s$:;(=
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ))<vCfuz2
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?H>^X)Ph
至此链式操作完美实现。 }^VikT]>1
Pz\ByD
d c/^
七. 问题3 A8-a}0Gh
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 X&i;WI
6:AEg
template < typename T1, typename T2 > fs-LaV
0
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const \<dg
{ 7{7Y[F0
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); X|D-[|P
} Q [C26U
:X:s'I4J
D
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: IZiS3
|Y?<58[!)
template < typename T1, typename T2 > qM6hE.J
struct result_2 <4<y
{ mU"Am0Bdjq
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 5g
O9 <
} ; 4O.R=c2}7>
2-jXj9kp`
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? sKJr34
这个差事就留给了holder自己。 6RguUDRQ
EUVD)+it
/W .G-|:
template < int Order > :RxMZwa=
class holder; Zu~w:uNmU
template <> vVIND
class holder < 1 > o|q5eUh=EY
{ gs=ok8w
public : T>7N "C
template < typename T > nK)1.KVN
struct result_1 l9OpaOVfJ
{ t\'MB
typedef T & result; sC.r$K+k5
} ; 4_sJ0 =z-
template < typename T1, typename T2 > 6\jbSe
struct result_2 ZJc{P5a1J
{ H9i7y,[*
typedef T1 & result; d:>'c=y
} ; -iY-rzW
template < typename T > \13Q >iAu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const oylQCbT
{ kFY2VPP~
return (T & )r; JbJ!,86
} "I:*
template < typename T1, typename T2 > g5"I{ol5T~
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const b/Ma,}
{ eThFRU3 F
return (T1 & )r1; J\w4N",
} Tx]p4wY:D
} ; UKV<Ye|
-mGG:#yP
template <> 2+DK:T[
class holder < 2 > %3"3V1
{ (aC=,5N
public : 'q_ Z
dw%
template < typename T > _9H]:]1QH
struct result_1 oXqJypR 2
{ .VNz(s
typedef T & result; [Gv8Fn/aG
} ; FN<>L0
template < typename T1, typename T2 >
!bCL/[
struct result_2 KK1?!7
{ =+Odu
typedef T2 & result; H!hd0.
} ; o<txm ?+N
template < typename T > P0(LdZH6u
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const X>Q4 4FV!
{ jO5R ~O`
return (T & )r; &+A78I
} d4ld-y
template < typename T1, typename T2 > 00f'G2n
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const vu.?@k@
{ <2%9O;bV[
return (T2 & )r2; !.q99DB
} oF]]Pl{W
} ; 53ZbtEwhwr
XNfl
q m_m8
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> >。 (~{Y}n]s
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: rC!"<