一. 什么是Lambda w2_bd7Wp<
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 5p.rwNE
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, #Zrlp.M4
/|6;Z}2
U- )i+}Ng
Xd^\@
class filler orOt>5}b<
{ AL>$HB$
public : C8z{XSo
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Yn8=
} ; ^%O]P`$
)iFJz/n>
r@ZJ{4\Q
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: J9~g|5
EkziAON
S)DnPjN{
\7CGUB>L
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); !.d@L6
w^t/9Nasi
;G%R<Z
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 )"pF R4
VkZ7#
@')[FEdW
j_Yp>=+[
二. 战前分析 hdrm!aBd
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。 *QH28%^
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 i[ mEi|
=Q\r?(Iy
s_mS^`P7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 6'Fd GS
/* --------------------------------------------- */ Qjb:WC7he
vector < int *> vp( 10 ); &Y }N|q-
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 6Oy$gW)
/* --------------------------------------------- */ >3Eo@J,?d
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); <~WsD)=$
/* --------------------------------------------- */ @ta7"6p-i@
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); *6VF
$/rP
/* --------------------------------------------- */ M]J^N#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); :5{wf Am
/* --------------------------------------------- */ 4T ~}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); i*Z"Me
=|Y,+/R?
cI4K+
.nVa[B|.
看了之后,我们可以思考一些问题: }|pwz
1._1, _2是什么? ,LnII
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。 Sn|BlXrey
2._1 = 1是在做什么? \RG8{G,
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。 y2^Y/)
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。 H*r)Z90
tIuCct-
C)`Fv=]R
三. 动工 \hx1o\
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 6|PrX
L&
y#3j`. $3p
I+tb[*X+
3R.W>U
template < typename T > G6$kv2(k`@
class assignment ~=uWD&5B4
{ v]B3m
T value; zN^n]N_?
public : 8; 0A
g
assignment( const T & v) : value(v) {} ~Vr.J}]J
template < typename T2 > *GL/aEI<$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 0.8 2kl
} ;
zem8G2#c
ewctkI$,5
hhCrUn"
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 x-^`~p
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment wAf\|{Vn
wk5s)%V
&m-PC(W+
ahJ`$U4n
class holder 6ZP(E^.
{ U:^PC
x`
public : {>hC~L?6
template < typename T > : y%d
assignment < T > operator = ( const T & t) const S[PE$tYT#t
{ wn/_}]T
return assignment < T > (t); 8%A#`)fb
} u{['<r;I
} ; A%KDiIA
(k5We!4[1
K,+LG7ec
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: J}v}~Cv
C~2F9Pg
static holder _1; kmP]SO?tx
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 2bw_IT
VVac:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); QbkLdM,S*
而不用手动写一个函数对象。 TN+iA~kQ
RP[{4Q8
tn(JC%?^
B-ngn{Yc
四. 问题分析 T@2#6Tffo
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 {< )1q ;
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Pg,b-W?n*
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 [uC]*G]
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 2@'oe7E
下面我们可以对这几个问题进行分析。 *|%@6I(
FGigbtj`
五. 问题1:一致性 ?Y-%'J(
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ($au:'kU
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 1+szG1U=
re/@D@%
struct holder ;RDh~EV
{ t<#mP@Mz=N
// ~$Tkn_w#
template < typename T > >7lx=T
x
T & operator ()( const T & r) const -+(jq>t
{ Tl(^
return (T & )r; D!{Y$;
} TSTl+W
} ; 1"zDin!A
^U
`[(kz=
这样的话assignment也必须相应改动: nzd2zY>V
RQ vft
template < typename Left, typename Right > _ky,;9G]
class assignment fkuLj%R
{ B~ ]k#Ot)
Left l; =
s>T;|
Right r; m+`fn;*
public : Isvx7$Vu+
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} aoMqSwF=
template < typename T2 > PmkR3<=leg
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } P\yDa*m
} ; `NCwK6/i
f,h J~
同时,holder的operator=也需要改动: S>h;K`
;YA(|h<
template < typename T > xbdN0MAU
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const :o|\"3
{ {IxA)v-`
return assignment < holder, T > ( * this , t); +ln9c
} LxYrl-
rf
$ QxJ
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。 F<n3
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 3,p]/Z_
l==``
return l(rhs) = r; 9!6f-K
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。 8J:}%DaxL
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: XG}C+;4Aw
_wTOmz%|R
template < typename Tp > #xho[\
class constant_t PH1p2Je
{ W#^2#sjO
const Tp t; l n{e1':$"
public : $w)!3c4
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} &+cEV6vb+
template < typename T > u?4:H=;>
const Tp & operator ()( const T & r) const D&od?3}E
{ SG6kud\b
return t; 8B/\U'
} C>-aIz!y
} ; _Tf4WFu2
~<O7$~
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4 8:>NW
下面就可以修改holder的operator=了 &,}j#3<
)k\H@Dy%$
template < typename T > Tu$f?
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 695V3R 7
{ '?!zG{x
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); :Pvzl1
} Xnz3p"
lt
^GvWg
同时也要修改assignment的operator() 9{(.Il J>
>OL 3H$F
template < typename T2 > 4[.oPK=i
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } x.f]1S7h[
现在代码看起来就很一致了。 :e_V7t)o
ur3(HL
六. 问题2:链式操作 Hw7;;HK
7
现在让我们来看看如何处理链式操作。 q#T/
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。 QIB\AAclO
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。 E8pB;\Z(
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。 <L"GqNuRQ
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct W yB3ls~
{ &"CH]r
template < typename T > {l>yi
struct result_1 pk^K:Xs}
{ 4(|cG7>9-
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 23c 8
} ; v-#Q7T
zbk q
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: X' d9[).
i>D.!x
template < typename T > $"FQj4%d
struct ref vd[}Gd
{ =<{np
typedef T & reference; -*$HddD
} ; iH/6M
template < typename T > V8rx#H~
struct ref < T &> n@C[@?D
{ y0#u9t"Z;
typedef T & reference; U^Q:Y}^
} ; $})g?Q
(Dw,DY9
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: swK-/$#
'
0J1vG~c
template < typename T > /W>iJfx
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Kla'lCZ
{ Bwa'`+bC
return l(t) = r(t); @)|C/oA
} i.3=!6z
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。 *v9 2
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 8n'B6hi
~\Hc,5G
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 \#Pfj&*
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ^>i63Yc
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 !a7[8&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 1guJG_;z
最后的布局是: rEB@$C^
Add -(
/ \ $wo?!gt
Divide 5 %p2Sh)@M
/ \ v6>_ j
L
_1 3 ,Wk?I%>
似乎一切都解决了?不。 5*Y^\N
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 j`~Ms>
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 WU71/PYm`
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: ^pQCNKLBY
#vti+A~n,4
template < typename Right > ,n3a
gkPO>
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ?QFpv#4
Right & rt) const _3TY,l~
{ m 8aITd8
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); P} 0%-JC
} _$
+^q-
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Zc
W:6po>
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。 X!9 B2w
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。 4nh>'v%pD
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。 C-\S/yd
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。 6]W=nAD
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? %M7` Hwu
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: LR".pH13
,*7 (%k^`
template < class Action > PIdikA
class picker : public Action -o$QS,
{ BqD'8zLD
public : Gn ~6X-l
picker( const Action & act) : Action(act) {} 'VzP};
// all the operator overloaded kBD>-5Sn_T
} ; 6L"%e!be6
{^\+iK4bS
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 O(D~_O.
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: _qw?@478
7"20hAd
template < typename Right > %oZ6l*
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const P<X\%_Iat
{ ]yK7PH-{L
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); nxWY7hU
} 9~]~#Uj
]n_
k`
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > =cm~vDl[
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 k1{K*O$e
g#Sl %Y
template < typename T > struct picker_maker 1(I6.BHW
{ zNxW'?0Z?
typedef picker < constant_t < T > > result; {^CY..3
A
} ; 9x>d[-#y:J
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > [5G6VNh=
{ m[~V/N3
typedef picker < T > result; S-
pV_Ff
} ; /&
Jan:
V^3L3|k
下面总的结构就有了: MZSy6v
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。 1*'HL#
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。 3RYpJAH
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 gQ'zW
至此链式操作完美实现。 tzZ`2pSh
UTH*bL5/J2
xe{!wX
七. 问题3 ^l9N48]|?
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。 sz:g,}~h
B@&4i?yJ
template < typename T1, typename T2 > WY?[,_4U
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const cq}EZ@ .
{ AgS7J(^&3
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); tnH2sHby
} dIN$)?aB0
DJ'zz&K
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: -w9pwB
}=<
template < typename T1, typename T2 > @ ;*Ksy@1O
struct result_2 h"X;3b^ m
{ c0,0`+2~
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ,{M^-3C
} ; w,#>G07D
n^Hm;BiE#
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? fmU {
这个差事就留给了holder自己。 h2Ld[xvCu%
J] {QB^?
L2\#w<d
template < int Order > z@!`:'ak
class holder; RRmz"j>
template <> gG0!C))8
class holder < 1 > ]Lf{Jboo
{ 9IjIIM2y
public : eD,.~Y#?=
template < typename T > EK{Eo9l
struct result_1 |2O]R s
{ 8&GBV_`I
typedef T & result; %|auAq&w
} ; e7^mmm
template < typename T1, typename T2 > `=4r+
struct result_2 &XIt5<$~R
{ wjHzE
typedef T1 & result; 'GNK "XA^
} ; SF7\<'4\N
template < typename T > 6n,i0W
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const n6wV.?8
{ /)YNs7gR
return (T & )r; ZInpMp
} \hTm)-FP
template < typename T1, typename T2 > |n2qVR,
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const %RTBV9LIXr
{ '*K :
lx
return (T1 & )r1; 7I&&bWB
} /5S30 |K
} ; CS2Bo
6.sx?Y YM
template <> `#rL*;\uV
class holder < 2 > VLOO8N[o
{ ^]H5h ]U'
public : ,|3MG",@@h
template < typename T > &TUWW