一. 什么是Lambda -9U'yL90B
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 f#l/N%VoBZ
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, [j5^Zb&0
V&_5q`L
I@ch 5vl4
(*%+!PS
class filler u+zq:2)H6
{ HPT9B?^
public : }b
YiyG\
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} zk4yh%Cd_
} ; HFx8v!^5N
'8>#`Yba
T"Wq:
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: )*^PMf
4kA/W0 VG
h"YIAQ',
d*1@lmV*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); / vge@bsE
79a{Zwdd9j
Ah &D5,3
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 0}Xkj)R,
COj50t/
"0g1'az}
&K`[SX=
二. 战前分析 $xS `i-|
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Vd|5JA}<"
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 X63DBF4A
>U9!KB
LIVVb"V|,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); /PIU@$DV
/* --------------------------------------------- */ A"C%.InZ
vector < int *> vp( 10 ); :f^O!^N
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 1`m ~c
/* --------------------------------------------- */ /v;g v[
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); x-U^U.i@
/* --------------------------------------------- */ $;+B)#
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); q[b-vTzI
/* --------------------------------------------- */ bs]ret$?(q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); i<1w*yu
/* --------------------------------------------- */ T{|'<KT
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); DSy,#yA
qEf)TW(
PF!Q2t5c3
f b_tda",}
看了之后,我们可以思考一些问题: eF}Q8]da
1._1, _2是什么? X<(h)&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。 k KL^U
2._1 = 1是在做什么? (J<@e!@NE
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。 )u]<8
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。 Tc\^=e^N?
S_6`.@B}
7esG$sVj(
三. 动工 tZU"Ud
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: A@_F ;4X
"`,PLC
S,3e|-&$
^$_ifkkLz
template < typename T > +]CKu$,8
class assignment IVkKmO(qO
{ eJ%~6c`@!
T value; rem&F'x0V
public : *u7C){)gr[
assignment( const T & v) : value(v) {} !V@Y \M
d
template < typename T2 > v<tH 3I+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } \9i.dF
} ; klUxt?-
!U,qr0h
q&Q* gEFK
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9|Jmj @9
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment b3EW"^Ar
xv7^
YIfPE{,
CHWyy
class holder G+b $WQn2t
{ @'R4zJ&+S
public : Y: KB"H
template < typename T >
4m#i4
assignment < T > operator = ( const T & t) const <5[wP)K@
{ =[t( [DG
return assignment < T > (t); )Ah
} :'I mz
} ; lEZ[0oa
RURO0`^
P!B\:B%4~]
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: zi[bpa17W
>eAlz4
static holder _1; LD_aJ^(d
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 A0O$B7ylQ
V[+ Pb]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Qh/yPOSm:
而不用手动写一个函数对象。 in#qV
na
$z\C\
vT%rg r
p5)A"p8"9,
四. 问题分析 y
@Y@"y
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 0gO2^m)W
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 kZ`60X%wE
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 b
|m$ W
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8DLR
下面我们可以对这几个问题进行分析。 U@m<
\~jt7 Q
五. 问题1:一致性 v]U[7 j
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?| YZpF*E;6t
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ^;W,:y&
e
d4T_O;
struct holder m++VW0Y>
{ 1x M&"p:
// _=q)lt-UY
template < typename T > %Dsa
~{
T & operator ()( const T & r) const V}pw ,2s
{ RS<c&{?
return (T & )r; y"$|?187x
} ./5|i*ow
} ; wzo-V^+q
fRaVY`|wK
这样的话assignment也必须相应改动: 1;vn*w`p
@%ChPjN
template < typename Left, typename Right > r1ctW#\~8
class assignment B`RbXk68q
{ 1/gY]ghL
Left l; wvT!NN
K2
Right r; 4w]u: eU
public : +Z)||MR"
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} W1r- uR
template < typename T2 > $Xz9xzOR
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } kc~Z1
} ; !p&M,6
GsqrKrbJ
同时,holder的operator=也需要改动: ttZ!P:H2
W.zA1S
template < typename T > 4X#>;
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Pm+H!x,
{ JsfbY^wz
return assignment < holder, T > ( * this , t); H -.3r
} A3'i
-
qh F/iUE
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Om>6<3n
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 JWMIZ{/M
kwGj7'
return l(rhs) = r; m'aw`?
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 T{sw{E*
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: K Qub%`n
a5Xr"-
template < typename Tp > ET=q
1t8
class constant_t !c(B^E
{ 7:M%w'oR
const Tp t; qx0J}6+NlU
public : 0Lc X7gU>
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} kz,Nz09}W
template < typename T > Ms^Y:,;Hi
const Tp & operator ()( const T & r) const .o|Gk
5)
{
9l{r&]
return t; Am kHVg
} C/!2q$
} ; ]>R`]U9*O
^!pagt^
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 'f;+*~*L
下面就可以修改holder的operator=了 wF@qBDxg
x0Tb7y`
template < typename T > iKp4@6an
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Pb]s+1
{ ;K$E;ZhPN
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ]0m4esK`
} VCbnS191*
OWOj|jM
同时也要修改assignment的operator() G;fP
apGf@b
template < typename T2 > VWLou
jB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Q
CfA3*
现在代码看起来就很一致了。 c?<FMb3]
rf)\:75
六. 问题2:链式操作 ^>9M2O['!s
现在让我们来看看如何处理链式操作。 n]9y Cr
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 J,{sRb%
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 'ky'GzX,
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 w?!@fu
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct H1hj` '\"<
U]e;=T:3
template < typename T > dxMz!
struct result_1 ~73YOGiGJH
{ '^7Sa
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; I"T_<
} ;
Vs{|:L+
5Z`f)qE
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 5G\vV]RR&
G9Xrwk<g4
template < typename T > YdE$G>&em
struct ref d['BtVJ
{ i/)Uj-*G)
typedef T & reference; /7P4[~vw
} ; eW7;yH
template < typename T > lD
!^MqK
struct ref < T &> \i`/k(
{ E8FS jLZ
typedef T & reference; (F$q|qZ%
} ; {:{NK%
AO8`ItNZdT
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: #MOEY|6
#1V vK
template < typename T > ,Y9lp)w
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 7U?x8%H*
{ Nz5gu.a6{L
return l(t) = r(t); IU Dp5MIuR
} XL} oYL]}&
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。 =GnDiI
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 q1NAKcA<U
RUO,tB|(_;
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 6I_W4`<VeZ
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: dk{yx(Ty
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ->K*r\T
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 4V<s"
最后的布局是: `+]4C+w
Add rC/m}`b
/ \ a8Ci 7<V
Divide 5 roW8 4x
/ \ s:;!QIC5jo
_1 3 Ds0^/bYp&
似乎一切都解决了?不。 Cd6^aFoK!
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。 LA"`8
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。 U.?,vw'aai
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: 7M^!t X
;wTl#\|w0
template < typename Right > m./lrz
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const oryoGy=(yk
Right & rt) const }1d
6d3b
{ HAN#_B1.
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); `C] t2^
} _j<46^
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 #Du1(R
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。 7c4\'dt#
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。 z#bOFVg#
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。 ho fZpM
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。 9:YiLoz?
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? d
t0?4 d
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: p~+)!Z#
p0'A\@|
template < class Action > vpOzF>O
class picker : public Action [<f\+g2ct
{ a.wRJ
public : H.wp{m{
picker( const Action & act) : Action(act) {} dO rgqz`e
// all the operator overloaded [^~Fu9+"
} ; Ou8@7S
0I~xD9l9
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。 x:@Ht TX
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: F/&Z1G.
",`fGu )
template < typename Right > y\r8_rBo
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const jIAl7aoY
{ ZqS'xN:k
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); s{`r$:!
} i<)c4
N`8?bU7a}"
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > q=UKL`;C}U
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。 [g_f`ZJ=
p4HX83y{
template < typename T > struct picker_maker gWgYZX
{ Uhb6{'+
typedef picker < constant_t < T > > result; Z"% =
} ; s 6vsV
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > KuE
2a,E4
{ 'UW7zL5
typedef picker < T > result; waO*CjxE:
} ; $>8+t>|
dl(cYP8L
下面总的结构就有了: O<."C=1~E
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。 QZt/Rm>W0
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。 2/qfK+a
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ]}~*uT}>
至此链式操作完美实现。 i nF&Pv