一. 什么是Lambda JVFn=Mw
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 P|_>M SO1'
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, A$Mmnu%
hdp;/Qz&
k/?5Fs!#
fn(KmuNA
class filler mTT1,|
{ lO9ML-8C1
public : 9H$#c_zrq
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Dx/BxqG6}_
} ; >fPa>[_1
Jc"xH~,
#TM+Vd$
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: \L-o>O
L]3 V)`}
!v;N@C3C
i<l_z&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); p?2\9C4
9^,MC&eb
5fMVjd
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 w
xKlBx7
$DeHo"mg7m
DpH+lpC
/-)\$T1d
二. 战前分析 _SC{nZ[
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 _8Cw_
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 :3J,t//c
tAO,s ZW
(pN:ET B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); DJvmwFx
/* --------------------------------------------- */ bfcQ(m5
vector < int *> vp( 10 ); 1t
wC-rC
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ul$k xc=N
/* --------------------------------------------- */ k ! l\|~
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); }W^%5o87{
/* --------------------------------------------- */ \H^DiF%f9
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); t%Sgw%f
/* --------------------------------------------- */ d$qivct
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); $`,10uw
/* --------------------------------------------- */ jYDpJ##Zb
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); $p:RnH\H1
@lpo$lN0R
'/8{Mx+
@oE^(
看了之后,我们可以思考一些问题: 5My4a9
1._1, _2是什么? 3,`I\>No
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。 }7?_>
2._1 = 1是在做什么? 3-x ;_
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。 'D_a2xo0
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。 K#Ia19au5
o;#:%
wW &q)WOi
三. 动工 m1bkY#\ U|
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: )Y4;@pEU
Z~R7 G
8/W(jVO(-
#+CH0Z
template < typename T > M3q%(!2
class assignment ZHu"&&
{ 8XfhXm>~
T value; 6g*?(Y][
public : 0'wchy>
assignment( const T & v) : value(v) {} /q1k)4?E
template < typename T2 > (\8IgQ{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ?D>%+rK8c
} ; l4Au{%j\
UHyGW$B
K
HyVI6N[
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 }H#C<:A
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment <JUumrEo
9'5< b
%CoO-1@C
^8.s"4{
class holder K<wg-JgA
{ ;t~Y>,
public : tJe5`L
template < typename T > g)dKXsy(F
assignment < T > operator = ( const T & t) const +MR]h
[
{ B,V:Qs6"
return assignment < T > (t); z`H|]${X
} L;\f^v(
} ; >O]u4G!
/07iQcT(
M{z&h>
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:
"tT68
OYyF*F&S[
static holder _1; 4Sz2
9\X
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 3>>Ca;>$
|zbM$37?k
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); `\beQ(g
而不用手动写一个函数对象。 B#]:1:Qn
0VnRtLnqI
j'x@P+A
V=gu'~
四. 问题分析 lb{X 6_.
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 f4O}WU}l{s
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Aflf]G1
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 [jz@d\k$_
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 [_`<<!u>-
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ! FVD_8
lFp : F5
五. 问题1:一致性 yxtfyf|9 '
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?| FM=XoMP q
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 }0Q
T5
FKtG
struct holder }S"qU]>8a
{ sa}.o Zp Q
// ~#jnkD
template < typename T > ~OMo$qt`lP
T & operator ()( const T & r) const 2Akh/pb
{ _Tf
%<E
return (T & )r; !'C8sNs
} au E8 ^|
} ; Sim$:5P
bzaweAH
这样的话assignment也必须相应改动: ;Kh[6{ W
hWiHKR]
template < typename Left, typename Right > F0wW3+G
class assignment bw)E;1zo
{ _}gfec4o
Left l; r]'[qaP
Right r; 4av
public : F=?GV\Tw
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} S\ K[l/
template < typename T2 > *Z+U}QhHD6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } qYPgn_
} ; T2A74>Nw
&p+2Vz{
同时,holder的operator=也需要改动: J|@O4g
O))j
template < typename T > vl!o^_70(
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ]M 2n%9
{ sHPlNwyy
return assignment < holder, T > ( * this , t); S"fqE%
} gk}.LE
<vzU}JA\
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。 cpH*!*S
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 &?I3xzvK
kaRjv
return l(rhs) = r; bo??91B^7
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。 Gx|/
Jq
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Va4AE)[/*
?'>[nm
template < typename Tp > o9v.]tb
class constant_t b%X<'8z9Z
{ +3pfBE|
const Tp t; :4>LtfA
public : %+dRjG~TB
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} }5d|y*
template < typename T > "2}n(8
const Tp & operator ()( const T & r) const dCWq~[[
{ /AIFgsaY
return t; >p3S,2SM
} m~@Lt~LZs
} ; L(/wsw~y*
;?gR ,AKZ
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 R?] S<Z
下面就可以修改holder的operator=了 kqCUr|M.P
"-Uqv@
template < typename T > rD>q/,X=\
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 3ZAzv en
{ Ct0%3]<J
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); !/"y
} ?o d*"M
ab5i7@Ed
同时也要修改assignment的operator() p S!N<;OWr
,27=i>>
template < typename T2 > ([ hd
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } VjSA&R
现在代码看起来就很一致了。 Z-i$KF
\U?{m)N
六. 问题2:链式操作 FFc?Av?_
现在让我们来看看如何处理链式操作。 (!<G` ;}u
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 rzKn5Z
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 &^ =Y76
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 jE$]Z(Ab
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct %U$%x
&wB?ks
template < typename T > 5{#ya2
struct result_1 WtbOm
{ j,g.Eo
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ^^( 4xHN
} ; YfH+kDT
3q1u9`4;
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: Il#9t?/
;<v9i#K5
template < typename T > K/LoHWy+n*
struct ref OSCe TkR
{ g8;JpP w
typedef T & reference; 0Yc#fD
} ; j=w`%nh4"f
template < typename T > @33-UP9o
struct ref < T &> a EqDxr6
{ J_ `\}55n
typedef T & reference; E9S&UU,K
} ; 51x)fZQ
f<( ysl1[
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: "ZFK-jn/
24/ ^_Td
template < typename T > wz5*?[4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const qn@:A2ed
{ (B;rjpK
return l(t) = r(t); !4
G9`>n
} v"smmQZik
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 NpY zN|W:
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 "npLl]XM
m-!Uy$yM
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 626!6E;T
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: NX:i]t
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 -AxO1
qO
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 [P746b_\e
最后的布局是: @I|gA
Add /
L/hR4
/ \ gEU|Bx/!=
Divide 5 TwXqk>J
/ \ + %07J6
_1 3 o@KK/f
似乎一切都解决了?不。 -:o4|&g<*
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。 {z/Y~rf
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。 *_7%n-k
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: %2D9]L2Up
2bk~6Osp
template < typename Right > F"Y.'my8
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const UMbM3m=\
Right & rt) const &I$MV5)u
{ f?A1=lm~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); qx~-(|s`H
} fSFb)+
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 /G h?z
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 U6@Hgi>
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 t\$P*_
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Yq?FiE0
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 k*3F7']8
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? <,!e*V*U
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: vC9Qe
]f
RrGFGn{
template < class Action > '-7rHx
class picker : public Action
bK|I
{ A+&^As2
public : BB694
picker( const Action & act) : Action(act) {} LzW8)<N
// all the operator overloaded jLRh/pbz4
} ; m["`Op4
+I {ZW}rA
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 zMf.
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: #Jo#[-r
dC7YVs_,#
template < typename Right > >vP DF+ u
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Oist>A$Z
{ AUm"^-@x#>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); j<-#a^jb
} Ip0~
qBKRm0<W
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ;|.^_Xs
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。 F?wfh7q
wMB. p2
template < typename T > struct picker_maker *,:>EcDr
{ S~9K'\vO
typedef picker < constant_t < T > > result; G>/Gw90E
} ; _bi]Bpxf
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > v\3:R,|'
{ (|<e4HfZL
typedef picker < T > result; rfgkw
} ; \{HbL,s
)]/gu\90
下面总的结构就有了: 5,I|beM
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。 mIK-a{?G
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。 vU:FDkx*nn
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 QUPZe~G>L
至此链式操作完美实现。 WUwH W
(h}5*u%h
g[]UM;D*
七. 问题3 ^usZ&9"@P
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。 CEwMPPYnD
0h[pw
template < typename T1, typename T2 > `UC
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const s#%$aQ|Fp
{ i'w8Li
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); \(ygdZ{R
} iYqZBLf{S
oNyVRH ZH
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: T<hS
0zQ^ 6@
template < typename T1, typename T2 > 9Q~9C9{+
struct result_2 k`l={f8C
{ pO^PkX
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; O%g
Q
} ; ?ztI8I/
1ZL91'U
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? BGtr= &Hq
这个差事就留给了holder自己。 uwQ~4
E[:eMJR
'qL:7
template < int Order > UZ5O%SF
class holder; (=2-*((&(A
template <> :]Nn(},
class holder < 1 > q*L>MV
{ ~4 ~c+^PF
public : R`[jkJrc
template < typename T > \kDQ[4mGq
struct result_1 aVg~/
{ {7kJj(Ue
typedef T & result; XniPNU
} ; 9nM_LV
template < typename T1, typename T2 > 9J3@8h p
struct result_2 |/qwR~
{ 'YKzs ;y$
typedef T1 & result; &d%\&fCm(
} ; oZD+AF$R
template < typename T > ', WnT:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const F@]9oF
{ $U_M|Xa
return (T & )r; _>8rTk`/h
} ]u]BxMs
template < typename T1, typename T2 > Dias!$g
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const !^yH]v
{ ~+A(zlYr~
return (T1 & )r1; 6"h,0rR
} ?*zDsQ
} ; 5*O*p `Ba
xU1_L*tu '
template <> g<