一. 什么是Lambda O-ENFA~E;v
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 A$7K5
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, d&L
=w;-4
J @~g>
9>0OpgvC(
class filler y{<js!au
{ Vt \g9-[
public : [_`yy
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} %scIZCrI~
} ; p5OoDo
rN7JJHV
|OAiHSW"V
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 8dLmsk^
-IVWkA)7
#@w/S:KbJt
ReD]M@;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); %-$
:/N
},}g](!m
3!cenyE
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 OAFxf,b
Het>G{
+A1*e+/b\
S&y${f
二. 战前分析 ^~TE$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。 9bRUN<
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 Wl=yxJu_(
5+Tx01)
uVhzJu.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); /E{tNd^S
/* --------------------------------------------- */ 3?`TEw~'
vector < int *> vp( 10 ); G#f3
WpD
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); eJn_gKWb
/* --------------------------------------------- */ 4JXvP1`
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); K0o${%'@7
/* --------------------------------------------- */ ki2`gLK
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); J4j:nd
/* --------------------------------------------- */ {*g{9`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); vA ZkT"
/* --------------------------------------------- */ ndT_;==
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); bQ
0Ab"+D
Uc,..
t>LSP$
y=+OC1k\8
看了之后,我们可以思考一些问题: X7-[#} T
1._1, _2是什么? 50A\Y)i_mZ
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。 nFI<Te^)
2._1 = 1是在做什么? 2h]CZD4
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。 $_eJ@L#
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Hi$N"16A5z
wL]#]DiE
c68y\
三. 动工 :yi} CM4
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: I1s= =
c05-1
?UIW&*h}
Pk(%=P,
template < typename T > w@6y.v1I{
class assignment $\1M"a}F
{
+O8zVWr
T value; Pf?&ys6
public : Z!fbc#L6
assignment( const T & v) : value(v) {} r|
\""
template < typename T2 > *wd=&Z^19
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } `(P71T
} ; XDyo=A]
=b1
y*?
xC0y2+)|
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 p15dbr1
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 9B83HV4J
"H@I~X=
:9x]5;ma
rFm?Bu
class holder 7PUy`H,&
{ '^7UcgugB
public : )"{}L.gC6
template < typename T > \h0+`
;Q
assignment < T > operator = ( const T & t) const >zw@!1{1
{ +!nf?5;
return assignment < T > (t); <HS{A$]
} (G$Q\>
} ; 63$`KG3
-'WR9M?fq
G-]<+-Q$4
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: ,VUOsNN4\
3i4m!g5Z?
static holder _1; 0Ny +NE:6M
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 2VX9FDrnk
1~2+w]-kU
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); d$E>bo-\
而不用手动写一个函数对象。 R*k;4*1u
z-"P raP
U;u4ey
4 2,dHYdt
四. 问题分析
H<g8u{
$
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。 a~JZc<ze
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。 *r9D+}Y(4
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Ytqx0
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。
M\JAB ;A
下面我们可以对这几个问题进行分析。 I.~=\%Z{
^HTvw~]5
五. 问题1:一致性 i\.(6hf+
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?| _Vt9ckaA
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 oz|+{b}%
o~4kJW#
struct holder ~%
`hh9]
{ #KHj.Vg
// ^Mhh2v
template < typename T > M-+!z5q~d
T & operator ()( const T & r) const YbZ?["S&
{ B7[#z{8'#
return (T & )r; !Bg^-F:N
} 0Am\02R.C,
} ; ! z5c+JqN
auY?Cj'"fs
这样的话assignment也必须相应改动: .;,,{;
ajkpU.6E:
template < typename Left, typename Right > m?4HVv
class assignment fmLDufx
{ ExL7 ]3r
Left l; 5RY-.c4}
Right r; KxFA@3
public : >,)U46
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} fNyXDCl
template < typename T2 > 3fYfj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } FS!vnl8`
} ; N?A}WW#
a%an={
同时,holder的operator=也需要改动: N!\1O,
91fZr
template < typename T > lX50JJwk
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Gu2=+?i?h
{ *W 04$N
return assignment < holder, T > ( * this , t); b`;&o^7gMO
} Z`%^?My
IRv/[|"L
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 +*eVi3
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Dj0D.}`~
]2@lyG#<<
return l(rhs) = r; s4=EyBI
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ~eiD(04^r*
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: %hz5)
<Y;w
I#C
template < typename Tp > H5jk#^FD
class constant_t }`76yH^c
{ 4:s,e<Tc4v
const Tp t; N6*FlG-
public : f&Juq8s_0
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ClPE_Cfw~
template < typename T > CRNt5T>qH
const Tp & operator ()( const T & r) const 'Awd:Aed5
{ @v\8+0
return t; xxC2 h3
} _X{ GZJm
} ; g/w<T+v
4`+R
|"4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 t7e7q"+/
下面就可以修改holder的operator=了 %T}*DC$&S
_]0<G8|Rv
template < typename T > 2f rwU~y
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const fK^;?4
{ ]KUeSg|
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); +Je%8jH
} d^5x@E_Td
TCkMJs?
同时也要修改assignment的operator() L3*HgkQQ
pMf
?'l
template < typename T2 > 2=VFUR 8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Y7')~C`up^
现在代码看起来就很一致了。 /%bnG(4
@"aqnj>+
六. 问题2:链式操作 qtz~Y~h|>
现在让我们来看看如何处理链式操作。 :=:m4UJb
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。 'sa>G
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。 {_Fh3gjb/
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。 Q-yNw0V}F
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct NjO_Y t
2r@9|}La
template < typename T > qv<^%7gq
struct result_1 Ir Y\Q)
{ R I:kp.V
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; c1
j@*6B
} ; *y|zF6
_9<Mo;C
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: -'^:+FU
BxaGBK<k
template < typename T > $gCN[%+j
struct ref xiqeKoAD
{ MieO1l
typedef T & reference; @qB>qD~WsD
} ; Bc'Mj=>;
template < typename T > 1'1>B
struct ref < T &> I
|"'
{ ;"8BbF.
typedef T & reference; 2dDhO
} ; I]WvcDJ}C
^E".`~R
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: j_z@VT}y
_.I58r
template < typename T > 1yFIIj:^|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const (#]9{C;
{ n"@){:{4?
return l(t) = r(t); Y3SV6""y/
} 9I''$DVf
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。 G?Za/G
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 A.~wgJDO
CV2#G *
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 $Z8riVJ7j-
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Y&bO[(> 1
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 sj6LrE=1
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 tqjjn5!
最后的布局是: 0IBQE
Add -vc
,O77z"
/ \ Nv3u)?A3w
Divide 5 bgkBgugZhX
/ \ :NB.ib@*
_1 3 hDc2T
似乎一切都解决了?不。 { _Y'%Ggh
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 Vt:\llsin
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 q#\B}'I{
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 3ug~m-_
NLUiNfCR
template < typename Right > r,Msg&rT
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const at1oxmy
Right & rt) const XV,ce~ro[
{ 6P)D M
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); N,:G5WxW
} D}UgC\u
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 +fq\K]
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 O'QnfpQ*9
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 }g:'K
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Mhc5<~?
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 Nnoj6+b
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? wNUcL*n
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: ID,os_ T=
15%6;K?b
template < class Action > `G=+qti
class picker : public Action *xpPD\{k
{ dCLNZq h6
public : %Z8pPH~T
picker( const Action & act) : Action(act) {} CIRMAX
// all the operator overloaded 3Q2NiYg3
} ; E,ooD3$h
J?tnS6V
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。 +?{LLD*2e
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: 1&Ma`M('
#MbY+[Y@v
template < typename Right > JIc9csr:b
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const <TSps!(#
{ 7nM<P4\
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); XXQC`%-]<i
} L:Faq1MG
{}=5uU 2Tu
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ?zVcP=p@
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。 ~bis!(}p-
T~4HeEG>uH
template < typename T > struct picker_maker auM1k]
{ r]kks_!Z
typedef picker < constant_t < T > > result; 8
-w|~y';
} ; %:dd#';g
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > D>`{f4Y
{ b>d]= u
typedef picker < T > result; VRHS 4
} ; =w:H9uj6F
ZT,auSX
下面总的结构就有了: &?gcnMg$,J
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。 `[ZA#8Ma
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。 KCqz]
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Z$35`:x&h
至此链式操作完美实现。 +.$:ZzH#
r8A'8g4cM
O_5;?$[m
七. 问题3 ] HRHF'4
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 "#{b)!EH
a&`^M
template < typename T1, typename T2 > 7mb5z/N
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const H
'nLC,
{ C3 m_sv#e
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 5Iv"
} s GrI%3[e"
l
5f'R
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: 4dh>B>Q
!'>#!S~h3
template < typename T1, typename T2 > U:$`M,762Z
struct result_2 >q&e.-qL
{ TdoH((nY
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ^q<EnsY
} ; \;"S>dg
m^^#3*qa
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? 26j-1c!NGd
这个差事就留给了holder自己。 uYd_5
nw
(c[DQS j
5)w;0{X!P
template < int Order > Mv7tK
l
class holder; mUiJ@
template <> r&XxF>
class holder < 1 > FwQGxGZ
{ zXd#kw;
public : gER(&L 4[
template < typename T > GU xhn
struct result_1 i2\CDYP
{ #|Je%t}~
typedef T & result; F+V[`w*k
} ; "fSK7%BP
template < typename T1, typename T2 > 3LVL5y7|
struct result_2 Ft>,
{ hllb\Y)XL
typedef T1 & result; h0VeXUM;.
} ; ;ZZmX]kz,M
template < typename T > 6V1
Z(K
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 4ug4[
{ 'gk^NAG2^E
return (T & )r; ITjg]taD
} X|60W
template < typename T1, typename T2 > D\sh
+}"
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ]Vf2Mn=]"
{ `h1>rP
return (T1 & )r1; (HeIO
} ?/KkN3Y_j[
} ; I4zm{ 1g
A@ w9_qo
template <> &|Vzo@D(!
class holder < 2 > x
~@%+d
{ TI3@/SB>
public : 6Kd,(DI
template < typename T > 46c0;E\9
struct result_1 8;Df/%
{ ATI2
typedef T & result; $`/F5R!
} ; E%)3{#.z
template < typename T1, typename T2 > 0ac'<;9]zP
struct result_2 4[K6 ZDBU
{ m pM,&7}
typedef T2 & result; ~"vRH
} ; |JCn=v@
template < typename T > g0RfvR
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const `VRt{p
{ Y!CGuLHL`[
return (T & )r; F#7A6|
} ':T6m=yv
template < typename T1, typename T2 > *lp{,
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const OlYCw.Zu
{ ]N1gzHaS
return (T2 & )r2; ZRoOdo94
} ,SoqVboRl
} ; BoPJ;6?>}
^g
n7DiIPH
Qx[
nR/
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> >。 B_|jDH#RyJ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: +?bOGUik
首先 assignment::operator(int, int)被调用: n6
AP6PK7
}9(:W </}
return l(i, j) = r(i, j); ^2!l/(?
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) nsV;6^>
bA3pDt).p
return ( int & )i; 0p ZX _L'
return ( int & )j; HVcd< :g0
最后执行i = j; :jljM(\
可见,参数被正确的选择了。 WiclG8l
\BxE0GGky
npdpKd+*K"
{t<U:*n2
}\)O1
八. 中期总结 Wq]Lb:&