一. 什么是Lambda 4a&RYx
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 j<u pRS,$
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, ;2G*wR
g%o(+d
OUE(I3_
}ZYd4h|g\z
class filler 3s*mbk[J
{ XMZ,Y7
public : {.`vs;U
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} @?ebuj5{e
} ; P|`8}|}a
zg>zUe
bA
SV4E0c>
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: C-xr"]#]
@b\$ yB@z
#{0HYg?(f
W@>% {eE
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); &{5,:%PXw
sVQ|*0(J0r
bt SRtf
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 \eTwXe]Pv
Fk7?xc
0mp/Le5
_!#@@O0p/h
二. 战前分析 t[HE6ea
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。 XE RUo
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 50h!
X9
_=r6=.
/*~EO{o
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $B+8Of
/* --------------------------------------------- */ PJ')R:e,
vector < int *> vp( 10 ); SZ7:u895E
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ME$[=?7XX
/* --------------------------------------------- */ Xc++b|k
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Lpkyoh v
/* --------------------------------------------- */ `b&%Hm
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); wKh4|Ka
/* --------------------------------------------- */ N>uRf0E>
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); O *C;Vqt
/* --------------------------------------------- */ 2F;y;l%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); E#34Wh2z
_>?\DgjH
k:i4=5^*GX
z9f-.72"X
看了之后,我们可以思考一些问题: /A\8 mL8
1._1, _2是什么? 'd0~!w
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。 Bg=wKwc8
2._1 = 1是在做什么? t3WiomNCc
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。 .N;=\C*
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。 ;._
l0Jw
cdH>n)
E,Z$pKL?
三. 动工 Xfc-UP|}
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: D_ 2:k'4
Q>qUk@
_oL?*ks
umBICC]CU
template < typename T > W ~<^L\Lu
class assignment u~N?NW Q
{ iO$8:mxm0?
T value; Y;eZ9|Ht9
public : [|wZ77\
assignment( const T & v) : value(v) {} Z{.8^u1I
template < typename T2 > NSMyliM1Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ZmqKQO
} ; wVXS%4|v
W-f=]eWg
>gQ>1Bwvi
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 uh_RGM&
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment *tFHM &a
"s-"<&>a(
u]wZQl#-
.8g)av+
class holder ~%F9%=
{ !.$I["/=
public : CZe ]kXNv
template < typename T > .~db4d]
assignment < T > operator = ( const T & t) const w_c"@CjkE
{ }v;V=%N+v
return assignment < T > (t); ~Gp[_ %K
} .<?GS{6
N
} ; CT@ jZtg0
8,Z_{R#|
;a!S!%.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: Rh2+=N<X
OKZV{Gja
static holder _1; PNhe
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 GMx&y2. Z
;>hO+Wo
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); `RT>}_j
而不用手动写一个函数对象。 iXkF1r]i
&AMl:@p9
urc|
D0n
+QavYqPF
四. 问题分析 A QU+mo
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。 L+F@:H6/0
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。 f)rq%N &
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 KkyVSoD\
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 }Bh8=F3O
Q
下面我们可以对这几个问题进行分析。 YaqR[F
k}CVQ@nd
五. 问题1:一致性 @IKYh{j4
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?| "^[ 'y7i
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 bP#:Oi0v`
pX<`+t[
struct holder atH*5X6d
{ 7"D",1h
// 2|y"!JqE1
template < typename T > +/7?HGf
T & operator ()( const T & r) const SR
hiQ
{ yzn%<H~
return (T & )r; GVr1`l
} TqQB@-!
} ; /HEw-M9z
s[*rzoA
这样的话assignment也必须相应改动: 7WqH&vU|
g =hg%gRy"
template < typename Left, typename Right > Paq4
class assignment 2qNt,;DQ
{ @;4zrzQi7
Left l; <}Vrl`?h
Right r; rKc9b<Ir
public : s^TZXCyF o
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} n6>#/eUH
template < typename T2 > ]cvwIc">
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 0auYG><=
} ; FUzzB94a
By,eETU]
同时,holder的operator=也需要改动: 8`{:MkXP
aKDKmHd
template < typename T > a!SiX
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const pF >i-i
{ }&D WaO]J7
return assignment < holder, T > ( * this , t); {WS;dX4
} klYX7?
rXq.DvQ
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。 c#]4awHU
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ?R
'r4P,
@4C% +-
return l(rhs) = r; qkqIV^*R
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。 Q\vpqE!9
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: zI uJ-8T"
1H`,WQ1mG
template < typename Tp > [DOckf oZx
class constant_t 'oVx#w^mf
{ ">nxHU
const Tp t; On?v|10r'
public : Lb-OsKU
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} >|=ts
template < typename T > H41?/U,{
const Tp & operator ()( const T & r) const {TROoX~H?
{ *>}@7}f
return t; E&w7GZNt
} nFCC St$
} ; BOX2O.Pm
6|=f$a
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 2[yd> (`
下面就可以修改holder的operator=了 pllGB6X
RP|`HkP-2
template < typename T > DCa^
u'f
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const -i|}m++
{ cVpp-Z|s8
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); IP pN@
} y.k~Y0
8Fh)eha9f
同时也要修改assignment的operator() U/M>?G~
q?:dCFw$x5
template < typename T2 > ,p a {qne
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } pki%vRY
现在代码看起来就很一致了。 fOrH$?
kZ:ZtE
六. 问题2:链式操作 f~[7t:WD*
现在让我们来看看如何处理链式操作。 t@;p
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 wlvgg
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Z{d^-
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ajT*/L!0_
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ]EAO+x9
l'qg8
template < typename T > T-L||yE,h
struct result_1 vr l-$ii
{ u=s p`%?
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Or+U@vAnk
} ; _[3D
+sA2WK]
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: $%Kfq[Q
BO&bmfp7,
template < typename T > 3hH<T.@)
struct ref =nS3p6>rZ
{ #!#
l45p6
typedef T & reference; gf@:R'$:+
} ; B9 uoVcW
template < typename T > WH} y"W
struct ref < T &> {P./==^0
{ I236RIq
typedef T & reference;
(ZizuHC
} ; F>l]
9!P|m
RqrdAkg
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: P@B]
reWot&;
template < typename T > 59A}}.@?m
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const )akoa,#%6c
{ t:Q*gWRh
return l(t) = r(t); 8<.Oq4ku
} Il'fL'3
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*u:hex
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 +6\Zj)
<'*LRd$1
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 W!(zT6#
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Q%G8U#Tm
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 AkV#J,
3LC
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 eMsd37J
最后的布局是: u#.2w)!D
Add x;d6vBTUb
/ \ 6{b>p+U
Divide 5 IJ"q~r$
/ \ D@.6>:;il
_1 3 0e4{{zQx
似乎一切都解决了?不。 }Y\%RA
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。 EQM{
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。 T8g$uFo
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: /x$ nje,.
;_(4Q*Yx
template < typename Right > Q2gq}c~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 7:1Lol-V
Right & rt) const QWYJ*
{ m_]Y{3C
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ez$(c
} Rm( "=(
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 }7Q% 6&IR
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 5b*C1HS@X
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 8ib:FF(= u
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 a~w$#fo"`f
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。 L8B!u9%
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? 77Y/!~kd
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: w?[u pn:K
Gc|idjW4
template < class Action > K"MX!
class picker : public Action y6a3tG
{ O0.*Pmt
public : (9a^$C*
picker( const Action & act) : Action(act) {} %ET+iIhK
// all the operator overloaded g7H(PF?
} ; 1qA;/-Zr<o
/N{*"s2)
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 (LCfUI6;
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: })%{AfDRF
JZx[W&]zT
template < typename Right > AwR=]W;j
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 5H^(2w
{ o]V^};B
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); F^:3?JA_
} t6c4+D'{].
gbA_DZ
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > B+`g>h
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 [/r(__.
'w aaw_>b
template < typename T > struct picker_maker @0''k
{ jP.dDYc
typedef picker < constant_t < T > > result; {JLtE{
} ; '&b+R`g'
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > jH:[2N?
{ f o3}W^0
typedef picker < T > result; ;uGv:$([g
} ; F+qm[Bc8
flx(HJK
下面总的结构就有了: $`8wJf9@w
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ]SEZaT
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 sI2^Qp@O1
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 h(DTa
至此链式操作完美实现。 QT}tvm@PMq
<P<z N~i9j
.%-8 t{dt
七. 问题3 4xj4=C~i
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 X?Q4} Y
h";L
template < typename T1, typename T2 > 53h0UL
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ca9X19NG
{ ckn(`I
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); {!`6zBsP
} HzJz+ x:
]?4hyN
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: -Y8B~@]P?
Fr-SvsNFB
template < typename T1, typename T2 > 7tp36 TE
struct result_2 3so%gvY.'
{ P+}h$_x
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; j~MI<I+l[
} ; WIGi51yC.x
rJB}qYD
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? 9gIrt 6
这个差事就留给了holder自己。 6]wIG$j
,esmV-
ar,7S&s