一. 什么是Lambda BtZm_SeA
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Vdyx74xX
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, 4}j}8y2)H
5@5="lNjS
N`fY%"5U>
Fd'L:A~
class filler <h0ptCB
{ 1N*~\rV*?
public : '-{jn+,
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 2V 'Tt3
} ; ]P^ +~
[r'M_foga*
V4D&&0&n
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: ktb.fhO
#k, kpL<a
hG)lVo!L4j
j+seJg<_
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Sj+#yct -
PX'%)5:q;i
#UIg<:
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 HN%ZN}
k5M(Ve
nK$m:=
e{/\znBS%
二. 战前分析 K`3cH6"L6
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Zx0c6d!B
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 4mg&H0 !
S/aPYrk>6
l.!
~t1i
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 9X~^w_cdk
/* --------------------------------------------- */ 2(|V1]6D?
vector < int *> vp( 10 ); I+SL0
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ^&%?Q_]
/* --------------------------------------------- */ iV=#'yY
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Zup?nP2GkT
/* --------------------------------------------- */ F9" K
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Qfi5fp=f
/* --------------------------------------------- */ lQjq6Fl2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); C+j+q648>
/* --------------------------------------------- */ LV0{~g(!%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1);
HN! l-z
~ln,Cm} 4
ebchHnOd
,58[WZG
看了之后,我们可以思考一些问题: 3z<t#
1._1, _2是什么? tuSgh!
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 `,O^=HBM
2._1 = 1是在做什么?
LWE
!+(n
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 9S^-qQH3}
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 OZ&aTm :
:|g{gi
a@./e @p
三. 动工 )_uK(UNZ5
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ~jaGf
y;H
3g#
\<%a`IA!*
[+GG Wo
template < typename T > f &|SGD*
class assignment 5P4>xv[
{ 6pse@x?
T value; zc"eSy< w$
public : LY MfoXp
assignment( const T & v) : value(v) {} +}n]A^&I\E
template < typename T2 > i
F Ab"VA
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 01$SvLn:
} ; $H}Q"^rs
K+Qg=vGY
%-dGK)?
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 mon(A|$|j
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment =Ev } v
q b'ka+X
&uM?DQ`o8
dxA=gL2
class holder wU3Q
{ Q.
>"@c[
public : =
~yh[@R)
template < typename T > ~kL":C>2
assignment < T > operator = ( const T & t) const G7yxCU(I\
{ :;EzvRy
return assignment < T > (t); Nuj%8om6
} J_,y?}.e3
} ; 8K qv)FjB
VybiuP
g8C+j6uR0
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: 0|cQx
VJb
vgV0a{u"
static holder _1; 3yQ(,k #
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 $]9d((u4
C5m*pGImG
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); G100L}d"N
而不用手动写一个函数对象。 i^8Zp;O"f
Y9C] -zEv
3k=q>~&@
X*b0q J
Z
四. 问题分析 "371`!%
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 =3@^TW(j
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 JS4pJe\q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 |Q{ l]D
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 kmf4ax
h1
下面我们可以对这几个问题进行分析。 C][`Dk\D{
CyE.q^Wm
五. 问题1:一致性 A;kB"Tx
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| I|:*Dy,~
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 <J- aq;p
2/GH5b(
struct holder 4CDmq[AVS[
{ niFjsTA.Z
// 0Y\u,\GrxW
template < typename T > .w0?
T & operator ()( const T & r) const rh+OgKi
{ EV9m\'=j
return (T & )r; h"[
][
}
>IRo]-,
} ; Ys\l[$_`*
} nQHP4'
这样的话assignment也必须相应改动: iVFnt!
E*kS{2NAq
template < typename Left, typename Right > re<"%D
class assignment 9Y7 tI3
{ -V9Cx_]y
Left l; ).-FuL4Y
Right r; fx*Swv%r
public : 7JujU.&{6
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} /q]WV^H
template < typename T2 > $jm'uDvm
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ioZ2J"s
} ; 1@/+ c
Na#2sb[)
同时,holder的operator=也需要改动: HGPbx$!
Tux~4W
template < typename T > R^D~ic
N
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Bq'hk<ns[
{ 1[!Idl ?m
return assignment < holder, T > ( * this , t); HzWZQ6o
} sR5dC_
/6>2,S8Ar
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。 1aSuRa
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 oI^iL\\2h
t hS#fO4]d
return l(rhs) = r; pt<84CP
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。 #x'C
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: xe
6x!
_I2AJn`#
template < typename Tp > 4pF%G
class constant_t 7bTs+C_;7
{ 0evG
const Tp t; O^LzS&I*
public : F7mzBrz
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} r&^4L
template < typename T > ~=}56yxl[
const Tp & operator ()( const T & r) const J9{B
{ p_[k^@$
return t; 1,4kw~tA
} !]W6i]p
} ; (!;4Y82#
wjY3:S~
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 [j&>dE
下面就可以修改holder的operator=了 %uQ^mK
Dtn|$g,
template < typename T > +&JF|#FQ`
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !DLIIKO78
{ -OoXb( I4
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); $+$+;1[
} u U\UULH0
Q5baY\"9^
同时也要修改assignment的operator() ~?nPp$^
%2V_%KA
template < typename T2 > N@*v'MEko%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 7kleBDDT
现在代码看起来就很一致了。 x_#yH3kJ
|rsu+0Mtz
六. 问题2:链式操作 #t9&X8:U
现在让我们来看看如何处理链式操作。 IA''-+9
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 D_'Zucq
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 0^zu T
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 VYvHpsI
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct I/fERnHM/+
'j>Q7M7q{
template < typename T > .{~ygHQ`f
struct result_1 @eR>?.:&
{ GN(PH/fO9
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; )R,*>-OPJL
} ; s}UPe)Vu
2g|+*.*`
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: Gu9Ap<>!
ZCV&v47\p_
template < typename T > c[ga@Vy
struct ref ~u7a50
{ l=xy_ TCf
typedef T & reference; Iy\K&)5?
} ; H2[S]`?
template < typename T > =p ^Sn,t
struct ref < T &> =f?| f
{ u:<%!?
typedef T & reference; lfb]xu]O
} ; 'lg6<M%#[
-&%#R_RV
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: {'EQ%H$q
0t'WM=W<!8
template < typename T > n`;=^^ B
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const "m(HQ5e)*
{ =[3I#s?V
return l(t) = r(t); LBbk]I
} x_AG=5OJX,
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。 {
+MqXeq
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 >4b-NS/}0
V(w2k^7)F
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 xLX:>64'o>
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: |-=^5q5
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 dKi+~m'w
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 HS>Z6|uLY
最后的布局是: 02SFFqm
Add nu|;(ly
/ \ %Gh!h4Pv
Divide 5 utfD$8UI
/ \ H~Hh$-z
_1 3 ney6N@
似乎一切都解决了?不。 Sycs u_je
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。 _T)dmhG
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。 \k;*Ej~.
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: V1,O7m+F2
[C.Pzo
template < typename Right > ;WWUxrWif
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const vSX71
Right & rt) const TlQu+w|
{ s^)wh v`C
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d>VerZZU
} ,FlF.pt
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 d*4fl.
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。 {?$-p%CF`8
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。 0_J<=T?\"s
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。 ULkjY1&
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。 o!dTB,Molr
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? 3mIVNT@S9
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: T&j_7Q\;vI
"at*G>+
template < class Action > \J.PrE'(}
class picker : public Action 7&DhEI ^
{ &>XIK8*
public : eZ8~t/8
picker( const Action & act) : Action(act) {} ^~E?7{BL
// all the operator overloaded \,+act"v
} ; Dh*Uv,
tl !o;`W
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。 YQ:FBj
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: tH`!?
PVC\&YF
template < typename Right > QI0d:7!W1
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const "d^h Y}Xx
{ E%FCOKw_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8*k#T\
} H<92tP4M
*VmJydd
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > /4}{SE
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。 07:CcT
oj/,vO:QT
template < typename T > struct picker_maker _VFl.U,
{ 0O5(\8jM
typedef picker < constant_t < T > > result; sG!SSRL@
} ; K&0'@#bE\
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > JPltB8j?
{ HTA@en[5
typedef picker < T > result; 7^>UUdk(
} ; Vcm9:,Xlw
87.b7 b.
下面总的结构就有了: #T &z`
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。 qv>?xKSm
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。 wxYB-Wh<
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 $[x2L
s~
至此链式操作完美实现。 zZ@]Kq;.s
2ys'q!
By%mJ%$~
七. 问题3 WqlX'tA
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。 ky0Fm
W
J5b>mTvb
template < typename T1, typename T2 > @Fv"j9j-3G
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const //9Ro"
{ $iu{u|VSu
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 4=^_ 4o2
} zGjf7VV2a
>1 {V
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: B! $a Y
>|1.Z'r/
template < typename T1, typename T2 > )FVW/{NF@q
struct result_2 ,Wtod|vx\U
{ n%yMf!M
.:
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 1iyd{r7|
} ; F0
x5(lpQ
d}#G~O+y3v
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? @62QDlt;
这个差事就留给了holder自己。 4Y2l]86
4Qh\3UL~
NZ`Mq
template < int Order > XMzL\Edo
class holder; Z\Qa6f!
template <> %P05k
class holder < 1 > 6P@3UQ)}s
{ 8#b>4Dx
public : G$FNofQx
template < typename T > tai
struct result_1 Hry*.s -
{ )xwWig.
typedef T & result; HMDQEd;
} ; f7NK0kuA
template < typename T1, typename T2 > =23JE'^=
struct result_2 M`^;h: DN^
{ \@6PA
typedef T1 & result; _o'_ z ]
} ; j<[+vrj
template < typename T > 4|i.b?"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 0`y;[qAG[
{ H%2Y8}
return (T & )r; aM/sD=}
} }H2<w-,+
template < typename T1, typename T2 > 5[NF
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ,I# X[^/
{ ~Mu=,OT
return (T1 & )r1;
;/.ZjTRw
} LU
"e9
} ; 9*wS}A&Jh
gQHE2$i>
template <> MHZ!noAr
class holder < 2 > ,2hZtJ<A
{ mNUc g{+/
public : (5AgI7I,
template < typename T > aI @&x
struct result_1 TXx%\V_6
{ B]jI^(P
typedef T & result; >:7W.QLRU
} ; _h;#\ )%~
template < typename T1, typename T2 > jn[%@zD }
struct result_2 G;r-f63N
{ }ti+tM*
typedef T2 & result; DxX333vC
} ; =+@Ip Xj
template < typename T > 5\1C@d
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const J*@(rb#G
{ @#sBom+K`
return (T & )r; 2x3'm
} ai/VbV'|
template < typename T1, typename T2 > zQsu~8PX
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const XHq8p[F
{ @H'pvFLK?
return (T2 & )r2; tTa" JXG
} ,1>ABz
} ; X[pk9mha
qSj$0Hq5XI
doJ\7c5uU
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> >。 MN|8(f5Gs
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: -26GOS_8z
首先 assignment::operator(int, int)被调用: T/8*c0mU
:m|%=@]`
return l(i, j) = r(i, j); %) -5'l<
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) %DJxUuh
\ dpsyc
return ( int & )i; 40VdT|n$$
return ( int & )j; tg%U2+.q
最后执行i = j; Y>eypfK"
可见,参数被正确的选择了。 K]q9wR'q
_VIVZ2mU=
ep]tio_
j\t"4=,n
[;5?=X,LD
八. 中期总结 e[D'0L
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: >{_`J
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 "],amJ
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 gwFHp.mE
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Gx75EQ2
jtWI@04o09
@WuB&uF=d
CfFNk "0{
_SS6@`X
"D V.%7*^
九. 简化 'IrwlS
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 4qw&G