一. 什么是Lambda 28zt.9
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 IDv@r\Xw
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, WpRi+NC}ln
CKj3-rcF(
|`#[jHd
IhUuL0
class filler (Iu5QLE
{ E|#'u^`yv
public : 'tF<7\!
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} K&Zdk (l)
} ; mh|M O(
jt?R
a1Z
z^~fVl
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: Zuwd(q
BC&Et62*
=w,%W^"E
^1}}-9q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); hX_;gR&R
D4_D{\xhO
+BmA4/P$
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 #uKHw2N
4ajBMgD]KG
-j<m0XUQ
eDG=-a4
二. 战前分析 |)1"*`z
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。 y=-d*E
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 ZO:{9vt=/
>pz/wTOi
-K+gr sb
g
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); J>x)J}:;
/* --------------------------------------------- */ :N(L7&<
vector < int *> vp( 10 ); v^JyVf>
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %J3#4gG^v
/* --------------------------------------------- */ B7va#'ne4{
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); PE+N5n2Tl
/* --------------------------------------------- */ eF!c<
Kcr
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ;p1%KmK3
/* --------------------------------------------- */ RDk{;VED{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); F^KoEWj[H
/* --------------------------------------------- */ ?^0#:QevC
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ">NBPanJ
'Zk&AD ~
rXvvJIbi
Ws}u4t
看了之后,我们可以思考一些问题: foaNB=,
1._1, _2是什么? (iH5F9WO
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。 ^h=;]vxO
2._1 = 1是在做什么? 65qH
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。 v='7.A
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。 eRC@b^~
Z3"f7l6
Ix-FJF-
三. 动工 {U7j
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: X2Y-TET
XW`&1qx
^i#F+Q`1
QfRt3\^`
template < typename T > mLKwk6I
class assignment v:<u0B-)$
{ 9
bGN5.5
T value; 5zfPh`U>1
public : ExV>s* y
assignment( const T & v) : value(v) {} z_CBOJl#C!
template < typename T2 > c7'I'~
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } q48V|6X'q
} ; 6d` 6=D:
7_n@iUG2n
?zKDPBj
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 *}cF]8c5W
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment MZ6?s(mkx
n+j'FfSz
7J7uHl`yq`
Q{V|{yV^y
class holder f GY. +W_
{ &`0heJ
5Yn
public : N^CD4l
template < typename T > pOpie5)7X
assignment < T > operator = ( const T & t) const v6TH-
{ $ v$~.
return assignment < T > (t); E.4`aJ@>d
} <wc=SMmO
} ; ?,TON5Fl-
^~8l|d_
#Z(8 vA^@
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 8iR%?5 >K
#2{ };)
static holder _1; ``K.4sG
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 -E?h^J&U
@va)j
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); x}].lTjD
而不用手动写一个函数对象。 q/<.^X
2y v'DS
mf^(Tq[
p 8Ts5n
四. 问题分析
WwPfz<I
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 gfFP-J3cN
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 x^;nQas;
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 \HV%579
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 _h M3p
下面我们可以对这几个问题进行分析。 +Q8Bin
%v4/.4sR,;
五. 问题1:一致性 )9l5gZX'I
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| '$UlJDZ
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 mdtq-v
j ]F
Zy
struct holder /0\m;&
{ ] +LleS5
// aB#qzrr['8
template < typename T > aKhI|%5kA
T & operator ()( const T & r) const WdnCRFO?l
{ %7z
return (T & )r; J}nE,U2
} uJ {N?
} ; V2V^*9(wu@
nkSYW]aQ1g
这样的话assignment也必须相应改动: q_ykB8Ensa
Y_xPr%%A
template < typename Left, typename Right > q;InFV3rv
class assignment wBA[L}
{ vn KKK. E
Left l; m+s^K{k}
Right r; htq#( M
public : KaZ$!JfT
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 3z!\Z[
template < typename T2 > BJ @tUn
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } w`UB_h#Bl
} ; 8m2-fuJz
=ugxPgn
同时,holder的operator=也需要改动: RL[?&L$7^%
a)`b;]+9
template < typename T > 0' @^PzX
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const '/Hx0]V
{ ix=HLF-0zC
return assignment < holder, T > ( * this , t); @c9VCG D
} ezY
_7
"'~'xaU!=a
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 JD^(L~ n]
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 '@3hU|jO!
wh<+.Zp
return l(rhs) = r; R]0awV1b
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 e3yBB*@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: w<lHY=z E
kz@@/DD/9
template < typename Tp > o2He}t2o
class constant_t EdhT;!
{ )ZEUD] X
const Tp t; I?.$
public : 7xb z)FI
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} qHt!)j9GKv
template < typename T > A<C`JN}
const Tp & operator ()( const T & r) const ,q] Wi#
{ S2HGf~rE
return t; Ayadvi(@P
} "~jt0pp
} ; YYzj:'
Q
*![u5#
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 \`-/\N
下面就可以修改holder的operator=了 >sv|
y<.0+YL-e+
template < typename T > T9osueh4
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !=;^Grv>
{ KDhr.P.~
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); TartV3;`
} (`>RwooE
%K@D{)r_^
同时也要修改assignment的operator() G9TK)Nz
-n?}L#4%8
template < typename T2 > hu%UEB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); }
n4h@{Xg
现在代码看起来就很一致了。 (Eq0 |"cj
\Azl6`Em
六. 问题2:链式操作 x00"d$!
现在让我们来看看如何处理链式操作。 %=xR$<D
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。 o$FqMRep
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。 )q&=x2`
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。 snT! 3t
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct +R@5e+auQ.
4&~ft
template < typename T > 0K <@?cI
struct result_1 ? "]fGp6y
{ -o#HO_9
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; $?YRy_SI
} ; <03 @c s
?g+0S@{i $
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: 8l-+
4~mH
9&q<6TZ z
template < typename T > O,>1GKw"\
struct ref ja3wXz$2
{ Z"<aS&GH
typedef T & reference; kz\
D-b
} ; j(F&*aH78
template < typename T > DBANq\
struct ref < T &> 9->E$W
{ ;Oh4W<hH}
typedef T & reference; ,R5NKWo
} ; <7fF9X
]1>U@oK
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: x48Y#"'
L:"i,K#P
template < typename T > J?&lpsB3_l
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const L']EYK5
{ ))^rk6
return l(t) = r(t); oqH811
} 2T3v^%%j
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。 <"Z]S^>$
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 L!x7]g,^
T%A45BE
V
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 :[z=u
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: KY9sa/xO
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 fo9O+e s
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 F/sXr(7
最后的布局是: jFf2( AR
Add ( >zXapb2
/ \ /bv`_>
Divide 5 -H5n>j0!{
/ \ PLf
_1 3 p1
>
D
似乎一切都解决了?不。 rC
V&&09
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。 r e.chQ6
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。 Nlemb:'eP3
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: 3&.?9
mE^mQ [Dk
template < typename Right > 6 "U&i9
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const [h SE^
m
Right & rt) const Q]9H9?}N?
{ fz#e4+oH
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); R
h zf.kp
} vU0j!XqE
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 OQ;'Xo
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。 Oaf!\z}
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。 I9O!CQCTt
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>!x#)&"
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。 0l#gS;
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? kKFmTo
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: (NK$2A/p
QNj hA '[T
template < class Action > p!BZTwP
class picker : public Action ?3~]H
{ A ^@:Ps
public : UhQ [|c
picker( const Action & act) : Action(act) {} XF(0>-
// all the operator overloaded L/dG0a@1X
} ; j3jf:7 /\
2V%si 6
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。 ${Cb1|g>j
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: `p1szZD&
(~}IoQp>
template < typename Right > %tEjf
3
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const [<`K%1GQ
{ H~UxVQLPp
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Njsz=
} >F+Mu-^
?JO x9;`
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > :%cL(',Q
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ~`)`Ip
( P|Ph
template < typename T > struct picker_maker VcKufV'
{ 1CK}XLdr
typedef picker < constant_t < T > > result; Qfx(+=|
} ; r Z5vey
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > !N:!x[5
{ D{g6M>,\
typedef picker < T > result; +ptVAg+
} ; k?ubr)[)
U/'"w
v1y
下面总的结构就有了: x
LR
2H>B}
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 Ex2TV7I
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 <+@?V$&
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Qz/o-W;
至此链式操作完美实现。 yx?Z&9z <