一. 什么是Lambda tx5bmF;b)
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 rN&fFI
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, X%YZQc9
CH4Nz'X2
6>WkisxG
jWUrw
class filler { 4j<X5V
{ :zU4K=kR
public : ~!({Unt+'
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 8WytvwB}
} ; c +]r
I0F[Z\U
~T@E")uR
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: Yb5U^OjyJ
(d&" @
4BMu0["6|s
f/sz/KC]~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); "o--MBq4
(f&V 7n
+PYV-@q
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ;l;jTb ^l
"Erphn
NuO@Nr
DNmC
二. 战前分析 oc"p5Y3,Os
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。 Zna6-0o
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 ~;HASHu
?*~
~Ok
[\ku,yd%0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); \;-Yz
/* --------------------------------------------- */ @{IX
do
vector < int *> vp( 10 ); <2(X?,N5BD
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); (hwzA
*(c
/* --------------------------------------------- */ tXzuP_0
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); <IZr..|O
/* --------------------------------------------- */ S_sHwObFu|
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 );
iK4\N;H
/* --------------------------------------------- */ $D`Kz*/.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); OkRb3}
/* --------------------------------------------- */
2po8n_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); EZWWvL
+IXr4M&3
Ls2,+yo]>
ar@,SKU'K
看了之后,我们可以思考一些问题: ~[!Tpq5
1._1, _2是什么? MTwzL<@$
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。 b|87=1^m[
2._1 = 1是在做什么? _Q #[IH9
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。 HHx5VI
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。 ]fY:+Ru
:LuA6
&v]xYb)+<
三. 动工 CM~x1f *v
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: f:8!@,I
-qSGa;PJ
@[D5{v)S
C,ldi"|
template < typename T > qi@Nz=t#HJ
class assignment =n.&N
{ HE*^!2f
T value; bv7)[,i
public : V~Guw[RA
assignment( const T & v) : value(v) {} Vb\^xdL>
template < typename T2 > *[>{9V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ~&,S xQT
} ; sfVzVS[
`_&vvJPn@!
K
z^.v`
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 nVpDjUpN
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment wI7.M
Gt
yTc&C)Jba
,wr5DQ
ZHRMW'Ne
class holder 3Q&@l49q
{ z>W?\[E<2
public : #Hy9 ;Q
template < typename T > f/
3'lPK^
assignment < T > operator = ( const T & t) const .mnkV -m
{ UnDX .W*2
return assignment < T > (t); ;qzn_W
} e9\_H=t+
} ; YPs9Pqkn
:S`12*_g"
{_>XsB
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: p>U= Jg
>xRUw5jN
static holder _1; "SuG6!k3
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 #m{F*(%
U*EBH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4tkb7D
q
而不用手动写一个函数对象。 akj#.aYk
E?&YcVA
R<3 -!p1v
iQ;lvOja
四. 问题分析 s_Z5M2o
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。 1q
ZnyJ
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。 6d5q<C_3t
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 iOAn/[^xk
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 3? k<e
下面我们可以对这几个问题进行分析。 zl, Vj%d
vqF=kB"P
五. 问题1:一致性 F.Bij8\
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?| }L`Z<h*H
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 &G-dxET]
$;";i:H`
struct holder >y!R}`&0^t
{ 'K23oQwDB
// k/Urz*O
template < typename T > FrRUAoFO
T & operator ()( const T & r) const A(XX2f!i
{ }Oe4wEYN)
return (T & )r; -g"Wi@Qr
} >N0L
} ; cI6Td*vM
Bi/E{k,
这样的话assignment也必须相应改动: (s+}l?
tI0D{Xrc
template < typename Left, typename Right > (j%"iQD
class assignment A)#Fyde
{ eOb)uIF
Left l; P-Gp^JX8
Right r; H ~<.2b
public : F${}n1D
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} F)aF.'$-/
template < typename T2 > R-k~\vCW
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } vgn,ZcX
} ; z+c8G
"?_af
同时,holder的operator=也需要改动: Q{
g{
eS%8WmCV9<
template < typename T > fG@]G9Z
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ]P_yN:~
{ {XXnMO4uR;
return assignment < holder, T > ( * this , t); ;t/KF"
} $F/xv&t
.8|"@
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。 qP9`p4c8i
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 b$/7rVH!
O^~nf%
return l(rhs) = r; a0k/R<4
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。 q:wz!~(>
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: (AG((eV
&jrc]
template < typename Tp > 7a4Z~r27/
class constant_t 8qUNh#
{ b.
:2x4
const Tp t; V>4v6)N
public : ACEVd! q
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} (F*y27_u
template < typename T >
(s51GRC
const Tp & operator ()( const T & r) const :c:}_t{%
{
bIuOB|
return t; b-J6{=k^
} [t?:CgI)E
} ; 9
H>JS
Ih5CtcE1'd
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 CE4Kc33OU|
下面就可以修改holder的operator=了 1_mqPMm
WuQ;Da0+_F
template < typename T > |QyZ:`0u
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const h.xtkD)Y~
{ cf\GC2+"^$
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); -^>7\]
} _!yUr5&,Br
U_wIx
同时也要修改assignment的operator() rwpH9\GE
:?gp}.
template < typename T2 > (ul_bA+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } %y+v0.aWH+
现在代码看起来就很一致了。 bc6|]kB:
&'m&'wDt:
六. 问题2:链式操作 \XbCJJP
现在让我们来看看如何处理链式操作。 pWeD,!f
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。 MZ^(BOe_
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。 m>DJ w7<
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。 SS&G<3Ke
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct @f#6Nu
k4JTc2b
template < typename T > fTGVG
struct result_1 ]_m(q`_
{ 4SIS#m
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ^aqBL
} ; q3u:Tpn4%
);xTl6Y9
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: `cFNO:
g9F?j
template < typename T > iG{xDj{CKv
struct ref 6^ ,;^
{ xeRoif\4c
typedef T & reference; SM.KM_%K
} ; L}tP_ *
template < typename T > I9sQPa
struct ref < T &> ?V =#x.9
{ we33GMxHl`
typedef T & reference; u"U7aYGkY
} ; cE*d(g
'Z6x\p
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: gAK"ShOhG=
]&"01M~+K
template < typename T > fy>~GFk(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Yo}QW;,g
{ CH0Nkf
return l(t) = r(t); j
HEt
} m :2A[H+
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。 p|w0
i[hc
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 oUL4l=dj.
rotu#?B
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 CE|rn8MB
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Lr*\LP6jx3
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象
[$`%ve
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 .|KBQMI
最后的布局是: /Uni6O)oc
Add OyIIJ!(
/ \ dlioa Yc
Divide 5 d*LW32B@
/ \ zCmx 1Djz
_1 3 .i3_D??
似乎一切都解决了?不。 xC 4L`\
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 m(^nG_eX
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 2I_~]X53[
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 7DWGYvv[
U<6+2y P
template < typename Right > kK.[v'[>&
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ZDm Y${J
Right & rt) const 3qy4nPg
{ ;eW\41 w
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5 i=C?W`'
} 5a5)hmO RB
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 T1(*dVU?
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。 CEBa,hp@
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。 gCx#&aXS
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。 2u(G:cR
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。 gvFCsVv<{
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? 7Q?^wx
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: a2eE!I
,hE989x<iI
template < class Action > _>4)q=
class picker : public Action f7&9IW`7F^
{ =OFx4#6a
public : <sls1,
picker( const Action & act) : Action(act) {} 0CK3jdZ+X
// all the operator overloaded k\-h-0[|
} ; HmbQL2
$#E!/vVwD7
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 N{uVh;_
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: plM:7#eA
,OFNV|S$
template < typename Right > yV*4|EkvW
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const m"wP]OQH*+
{ ^p3W}D
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ]#vi/6\J
} sEi9<$~R@0
ZKai*q4?
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > sGc.;":
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。 I5ZM U
-L!lJ
template < typename T > struct picker_maker 9^@)R
ED
{ bbT$$b-
typedef picker < constant_t < T > > result; DTHWL
} ; \susLD
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > wYQEm
{ R$;TX^r'o&
typedef picker < T > result; )T^xDx
} ; i:1
@ vo
zpZfsn!
下面总的结构就有了: \} _,g
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。 -B?cF9
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。 aP#/%
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Q"H/RMo-
至此链式操作完美实现。 L2OR<3*|Av
J M`[|"R%
Rx?ze(
七. 问题3 I
moxg+u
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。 my#\(E+
R[@}Lg7+v
template < typename T1, typename T2 > X!m
lC51
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ],Yy)<e.
{ /@I`V?Q!a
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6"R'z#{OF
} >T-4!ZvS\j
=nqHVRA
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: dg_w$#
'c# }^@G
template < typename T1, typename T2 > U>DCra;
struct result_2 uF<?y0t
{ ~0@fK<C)O
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Eihn%Esa
} ; KD?b|y@
<T&v\DN
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? tS-gaT`T
这个差事就留给了holder自己。 73Hm:"Eqd
Fu5c_"!
,e$6%R
template < int Order > l>KkAA
class holder; lc3Gu78 A/
template <> (>NZYPw^3
class holder < 1 > aemi;61T\
{ opMnLor
public : /aIGq/;Y+a
template < typename T >
]sJC%/
struct result_1 bkS"]q)>
{ \`E^>6!]q
typedef T & result; Ov^##E
} ; ~H1<