一. 什么是Lambda e8k|%m<Sp
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Dp?lgw
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, 3E!3kSh|
pzT`.#N:M
{wf5HA
u/J1Z>0
class filler [*r=u[67F
{ jN/snU2\0
public : Xj<xen(
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} <ti,Wn.
} ; e1ExB#
<jh=W9.N_
<9S 5
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: ;S'1fci6
x}O J~Yk]
]ts^h~BZ$
8>|<m'e^\r
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); $|I hO
(XV+aQ \A
qU ,{jD$
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 p & i+i
!^Q4ZL,-
;Ao`yC2(v
l=<},_]{
二. 战前分析 u&e?3qKX(
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。 w3"%d~/[x
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 }wC=p>zA
Tz7|OV_W$
i4)]lWnd
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); pV$A?b"?*
/* --------------------------------------------- */ 7s0pH+
vector < int *> vp( 10 ); -=qHwcId
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); O:#/To'
/* --------------------------------------------- */ )gk
tI!
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); gj4ONmY
/* --------------------------------------------- */ %]o/p_<
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); &jh17y
/* --------------------------------------------- */ `_OB_F
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 4XSq\.@G
/* --------------------------------------------- */ {]O.?Yru?
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); U/-|hfh
dlwOmO'Bm)
:DFtH13qO
[=>[ 2Ty
看了之后,我们可以思考一些问题: 4H`B]Zt7
1._1, _2是什么? HC|
]Au
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 w]US-7
2._1 = 1是在做什么? ,8stEp9~h]
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 -9R.mG
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 e+y%M
5IbCE.>iU
'_" S/X+v
三. 动工 <WL] (-9I:
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: _!%@V=
A9z3SJ\vXl
xiF}{25a
vQ>8>V
template < typename T > Lv
*USN
class assignment SGpe \P ]k
{ K~~LJU3
T value; /pJr%}sc
public : R4S))EHg
assignment( const T & v) : value(v) {} UK.=Y9
template < typename T2 > h3Nbgxa.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } -$`q:j
} ; 0"iQHi
2nSK}q
eH%i8a
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 y_T%xWK5
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment BfQ#5
0,6!6>BOT
B.#-@
>bg{
class holder hfs QAa
{ ix 5\Y
public : [!4V_yOb
template < typename T > vX$|/74
assignment < T > operator = ( const T & t) const y .a)M?3
{ q0@b d2}
return assignment < T > (t); }{.V^;
} \# 1p
} ; e?;
:d@RN+U
y4Nam87;/?
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: VA%4ssy
6.vwK3\>~
static holder _1; UL xgvq
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 l;h5Y<A%?
*7),v+ET
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); GZ.KL!,R!
而不用手动写一个函数对象。 [V0%=q+ R
+l<;?yk:;
vSk1/
DOq"=R+
四. 问题分析 DK#Tr: 7
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 cgR8+o
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 t]xR`Rr;X
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 UhSaqq
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 }L>0}H
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Q1x=@lXR
wLo<gA6;
五. 问题1:一致性 IC-W[~
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| BuS[(
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 3*eS<n[uG
Jv~^hN2
struct holder s_U--y.2r(
{ %\!@$]3q
// {Vf].l:kn
template < typename T > xxpzz(S ]A
T & operator ()( const T & r) const I1JF2 "{c
{ A9LVS&52
return (T & )r; mh#_lbe'
} 7 M$cIWe$
} ; 'Ge8l%p
"1hFx=W+\
这样的话assignment也必须相应改动: 'w_Qs~6~{
P@U2Q%\
template < typename Left, typename Right > `=2p6<#z
class assignment _:!7M^IU
{ D~ 7W
Left l; FMC]KXSd
Right r; {G{>Qa|
public : ]m#*4
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} v+'*.Iv:
template < typename T2 > ubl)$jZ:Q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } _Pn
1n
} ; (Z Q?1Qxo
2W;2._
同时,holder的operator=也需要改动: c=p!2jJ1K~
LVJn2t^
template < typename T > VhU,("&pm
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const &,$N|$yK}|
{ ra^"Vr
return assignment < holder, T > ( * this , t); <BK?@Xy
} Z5[g[Q
Ce} m_
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。 Uf~5Fc1d =
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 LB^xdMXi
MZ>Q Rf
return l(rhs) = r; jH37{S-
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。 eCG{KCM~_Z
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 5)ooE
a&B@F]+
template < typename Tp > '>t'U?7w<
class constant_t 5`q#~fJ2
{ 1?,C d
const Tp t; p,7?rI\N
public : ~\ v"xV
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} WpC9(AX5g
template < typename T > q<4{&omUJ
const Tp & operator ()( const T & r) const }bnodb^.7
{ 4TSkm`iR
return t; 8I0G%hD
} ."y tBF
} ; 1tl qw
vZXdc+2l
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 @6H 7
下面就可以修改holder的operator=了 S]Aaf-X_
br*PB]dU
template < typename T > U"a7myB+jX
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const i_av_I-
{ ]2MX7
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Y.%Vvg4z3
} _Zxo<}w}y
ow#8oUf=
同时也要修改assignment的operator() -cP1,>Ahv
0+AMN-
template < typename T2 > N\Ab0mDOV.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } z</^qy
现在代码看起来就很一致了。 0R}hAK+| 4
FhQb9\g
六. 问题2:链式操作 ul!q)cPb{
现在让我们来看看如何处理链式操作。 j? Vs"d|
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。 ts
r{-4V
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。 o+Q2lO5
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。 aTs9lr:
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct )*aAkM
BqtN=
template < typename T > p:3w8#)MZ
struct result_1 wcGv#J],
{ n/YnISt
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 7yOBxb
} ; sY?sQ'E2]
Ho $+[K
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: kH4m6p
fr&p0)85>B
template < typename T > j_S3<wEJ
struct ref lHE+o;-
{ i#PR
Tbc
typedef T & reference; 3V<c4'O\W
} ; 2m9qg-W
template < typename T > VOT9cP^6
struct ref < T &> -jVg{f!
{ $_gv(&ZT
typedef T & reference; iDYm4sY
} ; M%s!qC+
Bk5ft4v-
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: i*mI-l
Q+Eqaz`
template < typename T > AnpO?+\HF
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ,_K:DSiB
{ =>7czw:S1
return l(t) = r(t); /Z]hX*QR
} 4G RHvA.
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 /bmkt@$-0
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 xM/WS':V
P1<McQ
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 c)c_Qv
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: u\km_e
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 U@:l~xJ
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 OK2\2&G
最后的布局是: hPUZ{#;n
Add 1[\I9dv2
/ \ 61*b|.sl'#
Divide 5 P@Vs\wAT
/ \ C#RueDa.
_1 3 Pd~z%VoO
似乎一切都解决了?不。 U\>k>|Jr{
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。 ".?y!VY
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。 \U'*B}Sz
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: u(JuU/U
C}\kp0mz
template < typename Right > !>Q{co'
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const D2zqDo<+;
Right & rt) const wd1>L) T
{ [5Zi\'~UH)
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); nWUau:%
} epcvwM/A
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 muO;g&
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。 ^ tVIPH.R
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。 +y][s{A
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。 Se(apQH
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。 {fMo#`9=
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? Z1wfy\9c8
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: ;XXEvRk
Uh^j;s\y
template < class Action > WL3J>S_
class picker : public Action 1"T&B0G3l
{ B0^:nYko
public : w<Iq:3
picker( const Action & act) : Action(act) {} ?S.LGc
// all the operator overloaded ~xc0Ky?8
} ; ~!_UDD
'Y/8gD~.
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。 .[Ny(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: Gz7,g
Y
&+/$~@OK
template < typename Right > Htep3Ol3
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 1h`# H:
{ fm Fs
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )7Oj
} Z*'_/Grv?
s+v$sF
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 9W j9=
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$)sg]
d%oHcn
template < typename T > struct picker_maker (>dL
{ q'jInwY|x
typedef picker < constant_t < T > > result; 2gnz=
} ; Vb?_RE_H
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > lNvxt6@s
{ B*fBb.Z
typedef picker < T > result; wL&[Vi_j{
} ; O\ w-hk
4n%|h-!8
下面总的结构就有了: KCn#*[
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 6lwWFR+k
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 UO-,A j*wW
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 %gTY7LIe1z
至此链式操作完美实现。 I!.-}]k
UBx0Z0Y
zZS,<Z
七. 问题3 b+$-f:mj
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。 "p&4Sn3T2?
GA.cp*2~
template < typename T1, typename T2 > 5=;'LWXCJ
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 2F:X:f
{ ^k!u
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Hlj3z3
} q&,uJo
;$UB@)7%
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ,km`-6.2?
oSP^
.BJ$
template < typename T1, typename T2 > ?q"9ZYX<
struct result_2 KzB9
mMrO
{ 5(y Q-/6C+
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ?#L5V'ZZ*
} ; l{.
XhB
5NMju!/
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? Vje LPbk)
这个差事就留给了holder自己。 &lW~ot1,
7Y^2JlZu=
xic&m5j
m
template < int Order > Q5;EQ.#
class holder; #}8gHI-9%
template <> gn[h:+H&
class holder < 1 > N0fmC*1-
{ >n>gX/S<C
public : Ft8ii|-
template < typename T > b>|d Q
struct result_1 dj3E20Ws
{ a<Ps6'
typedef T & result; wodff_l
} ; F/D/1w^ iR
template < typename T1, typename T2 > 9>d~g!u=
struct result_2 I@q4D1g
{ ae]
hCWK
typedef T1 & result; \ X;)Kt"
} ; UujKgL4
template < typename T > *)i+ c{~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \p!mX|
{ BR0P :h
return (T & )r; lAx8m't}6
} w5mSoKb
template < typename T1, typename T2 > ( z.\,M
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const R<ZyP~
{ HuajdC~
return (T1 & )r1; 1!2,K ot
} :UDe\zcd"
} ; *l'5z)]
)H<F([Jri
template <> y;tX`5(fe
class holder < 2 > A<cnIUW
{ K<"Y4O#]
public : 9icy&'
template < typename T > :4S~}}N
struct result_1 CSIsi]H
{ !,;/JxfgVh
typedef T & result;
aP +)
} ; 3d>xg%?
template < typename T1, typename T2 > S{)'1J_0
struct result_2 q6V\n:hKV
{ q]z%<`.9*
typedef T2 & result;
19^B610
} ; *AI?md
template < typename T > s#V:!
7
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ~H`(z zk
{ P!lTK
return (T & )r; |FZIUS{]
} FQikFy(YY
template < typename T1, typename T2 > )cxML<j'
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const BxGz4
{ c`!8!R
return (T2 & )r2; [214b=
} wTu=v
} ; i^6g1"h
<@H=XEn
X:gE
mcXc
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> >。 AO^c=^
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: nV?e(}D
首先 assignment::operator(int, int)被调用: j*@EJ"Gm>
O.wk*m!9
return l(i, j) = r(i, j); -'::$
{
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) )Xd2qbi
F5/,H:K\
return ( int & )i; kI#yW!
return ( int & )j; .k:Uj-&
最后执行i = j; #6qLu
可见,参数被正确的选择了。 2W=am_\0e.
/mFa*~dj2
K7gqF~5x~
:X~{,J
#kL4Rm;
八. 中期总结 B}2 JK9
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: Km,:7#aV
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 St~a/Lq6
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 `1)n2<B
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 7%Ii:5Bp
he1W22
)w!*6<