一. 什么是Lambda ^}fc]ovV
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Q}C)az
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, Ii FeO
dj>zy
?S9? ?y/
fP# !ywgr%
class filler +"Flu.+['
{ wVX]"o
public : WdI9))J2S
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} yyB;'4Af
} ; \"Jgs.
G<:_O-cPSv
GCm(3%{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: 5+Fr/C
H3CG'?{ _
yq]= +X>(
WR,MqM20
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Is57)(^.-
W<|
M0S{
]wb^5H
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 m[n=t5~
g9C/Oj`I
wX<w)@
[QwEidX|
二. 战前分析 )B'&XLK
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。 i7D[5!
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 wr>[Eo@%\
AH-B/c5
S\5%nz\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ~;$,h ET
/* --------------------------------------------- */ NhJ]X cfP8
vector < int *> vp( 10 ); rMr:\M]t
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); j}u b
/* --------------------------------------------- */ I(m*%>
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); I[nSf]Vm>
/* --------------------------------------------- */ !y_4.&C{
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); x9\z^GU%H
/* --------------------------------------------- */ Sq22]
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); &`x1_*l
/* --------------------------------------------- */ hvW FzT5
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); lEAf\T7
8_$[SV$q
Ck1{\=t
iepolO=
看了之后,我们可以思考一些问题: k0r93xa
1._1, _2是什么? +q*WY*gX
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 wH]5VltUT1
2._1 = 1是在做什么? Z?JR6;@W
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 "xWrYq'"
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 !U::kr=t
y[`>,?ns5
N$ oQK(
三. 动工 _ \&vA5-
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Mbm'cM&}
!#&`1cYX
xu%_Zt2/?j
J(>T&G;
template < typename T > pSa
pF)1>
class assignment KpX1GrIn3
{ s#cb wDT
T value; ==#mlpi`S[
public : u~c75Mk_v
assignment( const T & v) : value(v) {} P*6h$T
template < typename T2 > B<$(Nb5<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ~#MXhhqB
} ; ^=Dz)95c
LO;7NK
m+|yk.md
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 k%D|17I
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment gUr#3#
h;[<4zw
1u8 k}
g{6FpuA|0
class holder 1R.|j_HYy
{ z!s1$5:" 0
public : ~n=oPm$pR
template < typename T > 6L<Y
assignment < T > operator = ( const T & t) const jWL%*dJrN
{ ]Z IreI
return assignment < T > (t); +7\"^D
} L}=DC =E
} ; I|x?
K>
gCV+amP
f/95}6M
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: &M>o
vc%=V^)N7U
static holder _1; WhT5NE9t
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 EvYe1Y-
CL3 b+r
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $;pHv<
而不用手动写一个函数对象。 z[Ah9tM%
8-B6D~i
Y(RB@+67
&>f]
四. 问题分析 #HDP ha
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。 0^3n#7m;K
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。 RNo~}#
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 8,@0~2fz#
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 u|"y&>!R-
下面我们可以对这几个问题进行分析。 lFtH;h,==v
Na>w~
五. 问题1:一致性 LzTdi%u$0|
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| Hp>_:2O8s
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 HDO_r(i
<KX fh
struct holder }U'VVPh_
{ OF} ."a
// }
fa
template < typename T > p%R+ c
T & operator ()( const T & r) const +'/C(5y)0X
{ ~ <36vsk
return (T & )r; I@oSRB
} WF_v>g:g
} ; gNJdP!(t
11vAx9
这样的话assignment也必须相应改动: EQtY b"_
5?Ukf$)x
template < typename Left, typename Right > a9u2Wlz
class assignment _WR/]1R
{ "m%EFWUOl
Left l; UHgW-N"
Right r; Pcjrv:0$
public : 7,s5Gd-
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} LAFxeo
template < typename T2 > sd9b9?qiu
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } <naxpflom0
} ; E!RlH3})
99tUw'w
同时,holder的operator=也需要改动: ix hF,F
=9h!K:,k
template < typename T > T/FZn{I
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const u9m ~1\R*
{ iR"6VO
return assignment < holder, T > ( * this , t); ;X;(7
} Gs\D`|3=
~.>8ww
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。 y=0)vi{]
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 d}y")q|F
kl1/(
return l(rhs) = r; ;|`<B7xf
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。 }eF
r,bJ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: g[*"LOw
_pmo
6O
template < typename Tp > S17;;w0
class constant_t \ Q^grX
{ *07?U")
const Tp t; ^/VnRpU
public : D |=L)\
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} UhJ{MUH`
template < typename T > \a4X},h\
const Tp & operator ()( const T & r) const $;&l{=e2)
{ D|amKW7
return t; z9!OzGtIR
} Be9,m!on
} ; .4ZOm'ko{
(I`lv=R"j
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 `v-O 4Pk
下面就可以修改holder的operator=了 L?Ys(a"k
~MP |L?my
template < typename T > CG95ScrX
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const E0x\h<6W~
{ =XtQ\$Pax
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 4K\o2p?4
} !9{UBAh
x]@z.Yj
同时也要修改assignment的operator() Qea"49R
9Z }<H/q
template < typename T2 > t(dVd%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } /OYa1,
现在代码看起来就很一致了。 6$0<&')Yb
OwEu S#-
六. 问题2:链式操作 tJ7F.}\;C
现在让我们来看看如何处理链式操作。 PD^G$LT
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。 Y9gw
('\w
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。 I:HrBhI)wP
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。 fs:yx'mxV
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ?pcbso
hs5>Gx
template < typename T > *dxm|F98
struct result_1 %%/8B
{ 8;L;R~Q
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; PxQQf I>
} ; &CcW(-
]Y-Y.&b7t
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: |N^"?bSt
_n/73Oh
template < typename T > C\ joDAD
struct ref alB'l
{ Aix6O=K6
typedef T & reference; :<mJRsDf
} ; S>>wf:\ c
template < typename T > wdAKU+tM
struct ref < T &> 4lWqQVx
{ =36fS/Gb
typedef T & reference; YU" /p|!1
} ; #0vda'q=j
i]N<xcF9N*
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: w@&z0ODJ
Ep;i],}
template < typename T > l
S3LX
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const L"/?[B":
{ )bR0>3/
return l(t) = r(t); BWvM~no
} sQj]#/yK:
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。 y/ Bo4fM
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 <ch}]-_
2m]4
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 t0jE\6r
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: IG# wY
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Pc =ei
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 FwlDP
最后的布局是: 8'L:D
Add vBOY[>=
/ \ p^*a>d:d]
Divide 5 /8Y8-&K0
/ \ RRPPojKZ
_1 3 B`<}YVA
似乎一切都解决了?不。 sT"ICooc
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。 2J{vfF
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。 )c&ya|h
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: 6)ibXbH
6u #eLs
template < typename Right > Y.) QNTh
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const d,N6~?B
Right & rt) const YPGzI]\
{ dqJ 8lU?
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); fv#ov+B
} "acI:cl?,
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 xGQP*nZ
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。 W4&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。 [uHU[
sG
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。 Z{BK@Q4z
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。 R.*;] R>M
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? }~|`h1JF
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: Uz_p-J0
@2L^?*n=
template < class Action > R;pW,]}g,
class picker : public Action xjiV9{w
{ @wa"pWx8
public : wW p7N
picker( const Action & act) : Action(act) {} =1,!EkG
// all the operator overloaded ZP!.C&O
} ; 3e;|KU
zl6]N3+4
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。
sZCK?
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: =WUL%MfW
vR:#g;mnk
template < typename Right > D.:`]W|
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const s|H7;.3gp
{ Pe,k y>ow
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); c:Cw#
} 'DVn /3?X
K=o {
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > XJPIAN~l
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。 & ;.rPU
&_-=(rK
template < typename T > struct picker_maker 5I2 h(Td
{ uP%VL}%0
typedef picker < constant_t < T > > result; ed/B.SY
} ; v~Dobk/n
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > F?R6zvive
{ [KYq01cj
typedef picker < T > result;
8|{ZcW
} ; APF`b
8v2Wi.4T
下面总的结构就有了: d;p3cW"
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。 H @k}
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。 MYvz%7
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 t2{(ETV
至此链式操作完美实现。 -e(<Jd_=
*5BVL_:~J
jd ;)8^7K
七. 问题3 z+;$cfN
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。 }wn|2K'
:FC)+OmJ
template < typename T1, typename T2 > hNZ_=
<D!
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 53:u6bb;
{ q6$6:L,<
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); d+v|&yN
} USN'-Ah
o
g9|}E>
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: #&IrCq+
4y+hr
template < typename T1, typename T2 > SaF0JPm4z
struct result_2 _ps4-<ugC
{ Lf^
7|
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Y=<ABtertS
} ; D$)F
X(
"?6*W"N9
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? G@D;_$a
这个差事就留给了holder自己。 eWm'eO
<:/aiX8
#UymD-yII
template < int Order > Z"Hq{?l9
class holder; 85io%>&0
template <> 9-m_
e=jk6
class holder < 1 > ~h8k4eM
{ ,Aq, f$5V
public : c/bT5TIEWs
template < typename T > 6Zw$F3 <
struct result_1 u;^H =7R
{ 2 N &B
typedef T & result; }])j>E
} ; V?JmIor
template < typename T1, typename T2 > Pfvb?Hy
struct result_2 E{JTy{z-
{ M^WoV
}'
typedef T1 & result; EB+4]MsD
} ; bHSoQ \
template < typename T > 9<CUm"%J
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const '!Va9m*w7
{ ~P,Z@|c4
return (T & )r; `{"V(YMEV
} AM!P?${a
template < typename T1, typename T2 > av(qV$2
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^8oN~HLZ
{ p +JOUW
return (T1 & )r1; AX@bM
} \ :@!rM
} ; gf9,/m
Dy. |bUB!f
template <> %iIr %P?
class holder < 2 > l@UF-n~[
{ >/C,1}p[
public : /P3Pv"r|8]
template < typename T > :k.>H.8+~
struct result_1 DPnrzV)
{ j
yp.2c
typedef T & result; DP*V|)
} ; Sb?v5
template < typename T1, typename T2 > K~UT@,CS60
struct result_2 iuEe#B;!
{ -y&>&D
typedef T2 & result; u^ wGVg
} ; 96F+I!qC
template < typename T > ^JIs:\g<<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const QB*AQ5-
{ dXt@x8E
return (T & )r; yyVJb3n5:!
} A#~CZQY^$
template < typename T1, typename T2 > PL\4\dXB
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const !C' Y
7
{ Gqar5
return (T2 & )r2; K nn<q=';G
} UG}"OBg/
} ; =x^IBLHN
\"K:<+RH
W-RshZ\
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> >。 ) { "}bMf
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: "NSY=)fV
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 0R+<^6^l)
I%{D5.du
return l(i, j) = r(i, j); =snJ+yn!
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) bb/A}<
zD
m:;`mBOc3
return ( int & )i; k
lr1"q7
return ( int & )j; ^?0WE
最后执行i = j; , YE+k`:
可见,参数被正确的选择了。 ^jo*e,y:
BXl
Y V"
a!x?Apww
<