一. 什么是Lambda D#9W [6
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 w4+bzdZ
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, cE=v566
fx4X!(w!B
hE/y"SP3
I-q@@!=
class filler #P6;-d@a
{ C>7k|;BvF
public : `qsn;
void operator ()( bool & i) const {i = true ;}
v4<x 4
} ; /SD2e@x{U
e{9(9qE"
Ad7=JzV
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: 5G=CvGu
Hv>Hz*s_I
BO ^T
:
M:(k7a+[^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); UIv
2wA2
71w$i
4
\h"QgHzp
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Z5{M_^
MgLz:2
:F
qx/GioPU
!'C^qrh
二. 战前分析 *K\/5Fzl
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 *%cI,}%
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 I|$_[Sw
[H)p#x
nmN6RGx
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); A!
1>
/* --------------------------------------------- */ }g _#.>D+
vector < int *> vp( 10 ); B)"WG7W E
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ~c3CyOab
/* --------------------------------------------- */ ZA ii"F
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Kc\0-3 Z
/* --------------------------------------------- */ ziy~~J
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); zn3i2MWS
/* --------------------------------------------- */ )5X7|*LP
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ?z60b=f8
/* --------------------------------------------- */ BiHBu8<
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); _" F(w"|
rC<m6
NzRL(A6V
rReZ$U
看了之后,我们可以思考一些问题: y?aOk-TaRA
1._1, _2是什么? v1zJr6ra9
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 (85F1"Jp
2._1 = 1是在做什么? J74nAC%J^
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 crC];LMl/
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 ZWVcCa3
'89D62\89
Hj;j\R >2
三. 动工 YrgwR
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: G0//P
.#
KFC zf_P!
yZ+o7?(2p
t L;;Yt
template < typename T > 7IZ(3B<87t
class assignment q^dI!93n|
{ ScfW;
T value; 12E@9s$Z
public : +2W#=G
assignment( const T & v) : value(v) {} 8'#%7+ "=!
template < typename T2 > R{6.O+j`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Tj*zlb4
} ; -D.6@@%Kc}
JT<Ia
>1mCjP
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 o,Ew7~u
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment XUUS N
wEzLfZ Oz/
k2*^W&Z
6576RT
class holder g >-iBxml
{ |vWx[=`o
public : z6FG^
template < typename T > Jp5~iC2d
assignment < T > operator = ( const T & t) const D@4hQC\
{ A"z')
return assignment < T > (t); P RX:*0
} <6n(a)L1
} ; Yq)
wE|k/
kS?!"zk>
Pd^ilRB
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: -\>Bphu,y
";",r^vr\
static holder _1; Fz)z&WT
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ~"}-cl,
{v]A`u)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); c+|,2e
0T
而不用手动写一个函数对象。 %qfEFhRC
>48zRi\N
R0\E?9P
Yw+_( 2
9=
四. 问题分析 {n%F^ky+7
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。 Ql\{^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。 K-_e' )22.
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Z10#6v
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 pU`Q[HOs
下面我们可以对这几个问题进行分析。 v D}y%}
}L@!TWR-Qu
五. 问题1:一致性 0=(5C\w2
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?| ?exV:OKLb
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 WZ"x\K-;
r#3_F=xL5
struct holder m]Z&
.,bA
{ LfrS:g
// &HZ"<y{j
template < typename T > 7PP76$
T & operator ()( const T & r) const i6(y Bn
{
+<AX
0(
return (T & )r; `;4zIBJ
} jcOxtDTSW
} ; .#J'+LxFr
(?YTQ8QR
这样的话assignment也必须相应改动: s'fHhG6
}r*t
V)
template < typename Left, typename Right > R^fVwDl\
class assignment ) <^9`
{ (+bk +0
Left l; U{n
0Z
Right r; ~ N_\V
public : D`r:`
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [ZOo%"M_Y
template < typename T2 > <q%buyQna
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } d5+ (@HSR
} ; SS@#$t:
RP z0WP
同时,holder的operator=也需要改动: SgFyv<6>:
Y-@K@Zu]?
template < typename T > p?=rQte([
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const +!dIEt).U
{ (PE"_80Z
return assignment < holder, T > ( * this , t); pvP|.sw5G
} ezCsbV;. [
JTQ$p*2]
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。 KDwjck"5;
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 8GV$L~i
[L]
ca*
return l(rhs) = r;
"+r8izB
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。 .0cm
mpUNq
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: wp-*S}TT
-GDX#A-J
template < typename Tp > -`FTWH
class constant_t KE&Y~y8O\
{ \ d+&&ns
const Tp t; BRFA%FZ,
public : %{5mkO&,2
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} FSIV\ u
template < typename T > d1 D{wZ3g
const Tp & operator ()( const T & r) const RAR"9 N
.
{ $2
~RZpS
return t; 6|rqsk
} 2zh?]if
} ; b,$H!V*
#ZRQVC; b;
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 QOcB ]G
下面就可以修改holder的operator=了 G?8LYg!-
ePa1 @dI
template < typename T > \ :1MM
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ~z ^VMr
{ iO,0Sb
<y
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); z#SBt`c
} Pj8s;#~u
TfDx>
F$
同时也要修改assignment的operator() QROe+:
qeb:n$
template < typename T2 > E@7";&\-8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } oXK`=.\
现在代码看起来就很一致了。 b`PAOQ
@w[WG:-+
六. 问题2:链式操作 _hMMm6a|
现在让我们来看看如何处理链式操作。 qi.|oL9p
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。 ; mu9;ixZ
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。 cx&jnF#$
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。 Gyw@+(l
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct `QC{}Oo^
n1a;vE{!
template < typename T > 3YR6@*!f/
struct result_1 Y<#WC#3=
{ s3W35S0Q 3
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; PBTGN;y
} ; h$_Wh(
&-470Z%/
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: !r,ZyJU
Jb#*QJ=
template < typename T > |)}F}~&
struct ref 7,d^?.~S
{ $C##S@
typedef T & reference; A5Qzj]{ba
} ;
dur}3oS0p
template < typename T > TSt-#c4B
struct ref < T &> .1XZ9M
{ Hz`rw\\Xq
typedef T & reference; B)Hs>Mh|W
} ; ! %S9H2Lv
.[? E1we
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: \( LKLlam
\_#0Z+pX
template < typename T > WOZf4X`[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const n6ETWjP
{ ^VR1whCrx
return l(t) = r(t); 8 *;G\$+
} :CV!:sUm
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。 E<1^i;F
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 is}o5\JEL
#r `hK)
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 5H1SC8+B,
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: IpXg2QbN
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 $h0]
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 OY*BVJ^
最后的布局是: yb2*K+Kv
Add 9t(B{S
/ \ ]F r+cP
Divide 5 i,NN"
/ \ N'+d1
_1 3 L[)+J2_<
似乎一切都解决了?不。 H'-Fv!l?
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 7 6~x|6)
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 "!i7U2M'
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: :c"J$wT/
mHE4Es0
template < typename Right > Z~F% K~(
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const T
{a%:=`
Right & rt) const c>{6NSS -
{ #IDDKUE
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); .^N+'g
} *,-)4)7d
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 -@b&qi7&S
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。 %;(+s7
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。 W@GcE;#-
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。 Sdz!J 1
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。 ^2[0cne
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? U5jY/e_
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: 6*Qn9Q%p-
lY[>}L*H8
template < class Action > yL^1s\<ddW
class picker : public Action
0|9(oP/:
{ `9B xDp]I
public : Z`v6DfK}
picker( const Action & act) : Action(act) {} O66\s q
// all the operator overloaded &ME[H
} ; %?J\P@
2/RK
pl &
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。 Z%\9y]zs
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: dt{|bQLu3
<~!7? ak
template < typename Right > -q[T0^eS
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Ne,7[k
{ ;XSRG*3j~4
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); t(VG#}
} #dE#w#=r
N6=cqUM wt
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > TKvUBy
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。 yc8FEn!)&
1 h|cr_
template < typename T > struct picker_maker 2w)0>Y(_
{ }P#%aE&-
typedef picker < constant_t < T > > result; X0^gj>GI|
} ; b[$%Wg
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > wxB?}
{ B3@
typedef picker < T > result; $]:I1I
} ; z[b,:G
T5)Xl 'Q
下面总的结构就有了: V7%G?
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 C(b"0>
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 .*:SZ3v
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 f/H rO6~k%
至此链式操作完美实现。 s@OCj0'l
X ~%I(?OX
daE/v.a4|
七. 问题3 aDb@u3X@
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 L^yQb4$&M
E D*=8s2
template < typename T1, typename T2 > h']RP
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const YN_#x
{ d?GfT$1
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); \v44 Vmfz
} nS"K
dPM
o<1e-
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: "
E72j.
5s8S;Pb]<