一. 什么是Lambda ;dgxeP;mp
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 MdM^!sk&`
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, )D?\ru H
/V}>v
*Y(v!x \L
uH 1%diL^
class filler f Glvx~
{ JsAl;w
public : 1ga.%M*
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} w],+l N;
} ; Y?G\@6
6B>1"h%Wf
-?{bCq
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: 2~[f<N
b /65Q&g'
(T+fO}0
)* 5R/oy,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); g#b[-)Qx
r:Uqtqxh
/ ;>U0~K
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 K8xwPoRL
gw[\7
`D)ay
-ZwQL="t
二. 战前分析 Sz4G,c
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。 (s`oJLW>
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 r,F~Vwa}
yM}b
a![x^@nF
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); U^+xCX<
/* --------------------------------------------- */ {KkP"j'7h
vector < int *> vp( 10 ); 4JF)w;X}
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ^Qrezl&
/* --------------------------------------------- */ @n<y[WA
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); )c~1s
/* --------------------------------------------- */ rz/^_dV
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); A0Z<1|6r*
/* --------------------------------------------- */ %@JNX}Y'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); +|6
'7Z(9
/* --------------------------------------------- */ F-K=Otj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ;:(kVdb
my+y<C-o`
fT)u`voE,
ia=eFWt.
看了之后,我们可以思考一些问题: V^Gz7`^
1._1, _2是什么? Th1/Bxb:
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。 i"|="O0v5
2._1 = 1是在做什么? l"9.zPvT<
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。 qbu>YTj
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。 S-)mv'Al'F
4?Mb>\n%<^
w
D|p'N
三. 动工 pbg[\UJyd
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: v,6
0V{a{>+
MZ" yjQ A
%N}OMc.W
template < typename T > %{GYTc \'X
class assignment |M&i#g<A;
{ qm30,$\c`~
T value; bpq2TgFj
public : o#(z*v@
assignment( const T & v) : value(v) {} 8j~:p!@
template < typename T2 > +)8,$1[p|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } H"v3?g`S%
} ; |0!oSNJ
(S~|hk^
43_;Z| T
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 0XwDk$l<
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment We7~tkl(
qf7:Q?+.|
'EF\=o)^Y
iq s
class holder 8)I,WWj
{ UuDT=_1Sh
public : m(Hb! RT
template < typename T > Fqtgw8
assignment < T > operator = ( const T & t) const FFE IsB"9
{ fAx7_}k/ m
return assignment < T > (t); -9Iz$(>a
} I_vPGafMx
} ; ;Y:_}kN8_
c,WRgXL
ZM)Y Rdh
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: #is1y3yh
LR :Qb]|"
static holder _1; :^
9sy
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 V=#L@ws
v9Kx`{1L
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); '2`MT-
而不用手动写一个函数对象。 Y6LoPJ
Bvbv~7g(
'EsN{.l?
&V.ps1
四. 问题分析 F_8<
tA6
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 DK2m(9/`3
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 +(>!nsf
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 !@ERAPuk
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ;Dl< GW3<
下面我们可以对这几个问题进行分析。 jVh I`F{n
{/f\lS.5g
五. 问题1:一致性 FmU>q)
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| *Q=3v
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 iTb k]$
8<z]rLQw?%
struct holder }(}+I}&~
{ We^!(G
// \U^0E> d
template < typename T > 1$cX`D`
T & operator ()( const T & r) const "wk~[>
{ u_0&`zq
return (T & )r; &[]0yNG
} Fi8'3/q-^
} ; OKDBzl
Vq7L:,N9
这样的话assignment也必须相应改动: &r0b~RwUv
~N</;{}fL4
template < typename Left, typename Right > iUcDj:
class assignment eBZ^YY<*g
{ hdFIriE3
Left l; m%8idjnG
Right r; -#yLH
public : _J<^'w^;%
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} P%Fkd3e+
template < typename T2 > o)NQE?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } +.i?UHNB
} ; J{98x zb
xRZ9.Agv_
同时,holder的operator=也需要改动: :5/P{Co(
k!/"J
;
template < typename T > zbL!q_wO
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 8"2
Y$*)(
{ 6#NptXB
return assignment < holder, T > ( * this , t); b>R/=tx
} !L3M\Q0
zu6Y*{$>g
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。
T~I5W=y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 =ytB\e
>BC?%|l
return l(rhs) = r; oH/6
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 j(j o8
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: + V:P-D
5l"EQ9
template < typename Tp > [qhQj\cK
class constant_t +J`EBoIo
{ EC6)g;CO
const Tp t; Lb# e
public : ,3^gB,ka
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 0>#or$:6E
template < typename T >
x Bn+-V
const Tp & operator ()( const T & r) const 11Kbj`sRZ
{ |RUx)&
return t; Yh%a7K
} zo*YPDEm"
} ; %vPs38Fks
y#\jc4F_a
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 $Iuf(J-5[
下面就可以修改holder的operator=了 p"9a`/
Ax[!7~s
template < typename T > 1i;-mYGaMn
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const %j],6wW5J
{ L%,tc~)A
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); $+` YP
} B~HA 32
oXA3i
同时也要修改assignment的operator() 4@6!E^
}kg?A oo
template < typename T2 > 2#z 6= M~A
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Y9rW_m@B
现在代码看起来就很一致了。 l#P)9$%
Pkx*1.uo
六. 问题2:链式操作 57/9i>
@
现在让我们来看看如何处理链式操作。 x \qS|q\N
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。 G([8Q8B4+
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。 _D9`L&X}
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。 ^4@~\#$z
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct (yk^%
7.4Q
template < typename T > x\ieWF1
struct result_1 O[O`4de9
{ fFD:E} >5
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ?haN ;n6'
} ; Y40Hcc+Fx
%x_c2
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: %GUu{n<6
4&r+K`C0
template < typename T > 0T,Qn{
struct ref sW)C6 #
{ j-2`yR
typedef T & reference; @=o1q=5@8
} ; Q9X7-\n
template < typename T > bSmF"H0cP
struct ref < T &> FY%v \`@1*
{ i3I'n*
typedef T & reference; S4]}/Imn)
} ; g0 ec-
J{$+\
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: h?wNmLre
]=v_u9;
template < typename T > m x@F^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const y=y=W5#;77
{ Pf
s _s6
return l(t) = r(t); *0ZL@Kw
} M/GQQG;
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。 T.kmoLlH
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 `+17x<N
S -j<O&h~C
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 .uzg2Kd_
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: :5X1Tr=A
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 l,Un7]*
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 |He,v/r
最后的布局是: l,}{Y4\G
Add %V-\ |cw
/ \ &.ZW1TxE8
Divide 5 D$g|f[l
/ \ $M\|zUQu.
_1 3 iTgGf
似乎一切都解决了?不。 -|^}~yOx0=
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 b#0y-bR
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 j`I[M6Qxh
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: LjUBV_J
}^uUw&
template < typename Right > =E Cw'
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const `6V-a_8;[
Right & rt) const )|`eCzCB
{ Q+|8|V}w
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )&di
c6r
} zI/)#^ SQ
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 0wZ_;FN*-
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 !xoN%5!
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 dzDh V{
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 I}/o`oc
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 Gv[W)+3f
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 'Im7^!-d
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: PbOLN$hP
9`}Wp2
template < class Action > [\CQ_qs|
class picker : public Action Ms5m.lX
{ 6U;pYWht
public : FUzIuz 6
picker( const Action & act) : Action(act) {} &fA`Od6l"
// all the operator overloaded Lv@JfN"O
} ; xB{0lI
}OO(uC2
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。 vlCjh! x
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: oXwoi!
a5WVDh,cR
template < typename Right > vTN/ho,H
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const $|.x !sA
{ j"o`K}C
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); J 2%^%5&0
} |M|'S~z
0gPz|v>z
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > QC0^G,9.
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 T[M?:~
nt\6o?W
template < typename T > struct picker_maker "~x\bSY
{ ]c{Zh?0
typedef picker < constant_t < T > > result; _3<J!$]&p
} ; lbrob' '+
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > :@w
;no>=*
{ 21GjRPs\
typedef picker < T > result; ,c"_X8Fkx$
} ; QytqO{B^
FH}n]T
下面总的结构就有了: P0U=lj/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。 x8%Q TTY
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。 }xTTz,Oj$
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 |33pf7o
至此链式操作完美实现。 j>~^jz:
uy\<t
Z!=/[,b
七. 问题3 P\;lH"9
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。 B&A4-w v
[dFxW6n
template < typename T1, typename T2 > XOzPi*V**
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const P8!Vcy938
{ g#~ jF
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); +]H9:ARI
} +U&aK dQs
?H1I,]Di
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: h!56?4,%Y
dA>t
template < typename T1, typename T2 > e:{v.C0ez
struct result_2 .$)'7
{ #C,M8~Q7
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; *A2J[,?c
} ; ,(Fo%.j
P,!si#
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? $s.:wc^
这个差事就留给了holder自己。 v=nq P{
]]@jvU_?kS
Fh& `v0
template < int Order > 9'3%%o
class holder; w[\*\'Vm0
template <> 6FG h=~{3,
class holder < 1 > t
),~w,7(J
{ &W