一. 什么是Lambda 8@[S,[
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 +%f6{&q$
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, ?[uHRBR'
C
:An
mW$Oi++'d
:R`e<g~4
class filler 5 JlgnxRq
{ mlxtey6H3
public : Y&1N*@YP
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 3G[|4v?[<_
} ; "=w:LRw
'4Jf[
#M||t|9iu?
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: l$Vy\CfK3n
xL*J9&~iG
HC}vO0X4
\HIBnkj)3n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); !?>QN'p.b
}N}Js*
p+8o'dl8=
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 IG{lr
'A>?aUq]:
zYP6m3n
}SC&6B?G
二. 战前分析 6J\ 2=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。 }L(ZLt8Q
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 \WBO(,]V
Y=4
7se=h"
tz8fZ*n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8k3y"239t
/* --------------------------------------------- */ z#Fel/L`O
vector < int *> vp( 10 ); q 'd]
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); S6}_N/;6~
/* --------------------------------------------- */ |{Ex)hkw
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); x|yJCs>
/* --------------------------------------------- */ {?Nm"#
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); }`2a>N:
&
/* --------------------------------------------- */ ^.R!sQ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); eKy!Pai
/* --------------------------------------------- */ -b
iE
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); O_qwD6s-_
t
V(
WhP
O\ _ro.
>|c?ZqW
看了之后,我们可以思考一些问题: \gA<yz-;N
1._1, _2是什么? 0zA;%oP
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。 >DUTmJxv
2._1 = 1是在做什么? n
7i5A:
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。 0TaI"/ai
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。 ;<q2
n807?FORB
IIih9I`IR
三. 动工 KJV8y"^=Q
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: tT!'qL.*
[|ZFei)r
yuy\T(7BN
!(7m/R
template < typename T > kc0MQ TJU
class assignment "9r$*\wOf
{ nShXY6bA
T value; >SLQW
public : _}Qtx/Cg
assignment( const T & v) : value(v) {} p5$}h,7
template < typename T2 > QRvyaV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &9^4-5]
} ;
+WAkBE/
S't9F
.hu7JM+
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 p@kRo#~l
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment $cIaLq
A"ATtid
nhdZC@~E0
.SjJG67OyA
class holder F \ls]luN
{ ]:#=[CH
public : J/jkb3
template < typename T > /6Q]f
assignment < T > operator = ( const T & t) const )2RRa^=&
{ cz,QP'g
return assignment < T > (t); ]7 Du/)$
} Cyd/HTNh<
} ; ]}PXN1(
pH mqwB~|
XrM+DQ;
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: ij!d-eM/b
4P[MkMoC
static holder _1; kBhjqI*
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 u {_, S3Aa
gy%.+!4>v`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Fy"M 4;7
而不用手动写一个函数对象。 ?[d4HKs
>({qgzV`
Bkd$'7UT
e)wi}\:q_
四. 问题分析 _$96y]Bpi
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ed`"xm
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 WI4<2u;
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 U!o7Nw@z
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 m{Vd3{H40
下面我们可以对这几个问题进行分析。 7H)$NG<U$
,eBC]4)B6
五. 问题1:一致性 beBG40
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?| }ofb]_C,
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 g}v](Q
l<w7
\a6
struct holder 4WvW11q8U
{ T/g\v?>
// R1X'}#mU
template < typename T > .*x:
T & operator ()( const T & r) const >9!J?HA
{ mFF4qbe
return (T & )r; ^T!Zz"/:
} ,_u7@Ix
} ; ##6\~!P
.p!
DVQ"a
这样的话assignment也必须相应改动: P !i_?M
;Y\LsmZ;F
template < typename Left, typename Right > >^~^#MT
class assignment @w8}]S
{ VIz(@
Left l; $U*eq[
Right r;
kScZP8yw
public : KE3`5Y!
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} /IWAU)A0
template < typename T2 > i"}z9Ae~.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } n"htx|v
} ; !CUl1L1DSi
8{jXSCP#
同时,holder的operator=也需要改动: dhtH&:J<;
Q4m>
3I
template < typename T > 4j=3'Z|
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const M5h
r0R{
{ IFTNr2I
return assignment < holder, T > ( * this , t); UON=7}=$&
} = g{I`u
%PYO9:n
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。 :s_>y_=g
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 K>DN6{hnV;
Cq!eAc
return l(rhs) = r; vHf)gi}O|
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。 =$J(]KPv!?
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 4CF;>b
f~
Ncz4LKzt
template < typename Tp > #@B"E2F
class constant_t \:4*h
{ ^[7Mp
const Tp t; +a!3*G@N+
public : H ni^S
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Lto*L X
template < typename T > 2&V>pE
const Tp & operator ()( const T & r) const fB3Jp~$
{ pq{`WgA^
return t; @!P2f
} <2U@O`
gC
} ; { KWVPeh
6Cj7 =|L7
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。
2'?'dfj
下面就可以修改holder的operator=了 23):OB>S`
!G3AD3
template < typename T > gsyOf*Q$
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const s$Y>nH~T
{ 0 #8
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); i\6CE|
} DEZww9T2Qs
{nV/_o$$
同时也要修改assignment的operator() 49; 'K
F"]P|
template < typename T2 > - Z,Qj"V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } L[Vk 6e
现在代码看起来就很一致了。 *SNdU^!
)$n%4 :
六. 问题2:链式操作 /A7( `l;6
现在让我们来看看如何处理链式操作。 r!Aj5
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。 ~</FF'Xz
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。 !1)aie+p6
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。 ",b:rgpRp
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Dx-P]j)4x
x]c8?H9,&
template < typename T > Ocdy;|&
struct result_1 yl-:9|LT
{ h-P|O6@Ki
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; '|IcL1c=I
} ; ""-wM~^D
}YDi/b7
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: 5tlRrf
1tNL)x"w
template < typename T > [
\_o_W
struct ref : .x((
FU
{ ^o3,YH
typedef T & reference; eq6O6-
} ; |R9Lben',
template < typename T > ~*iF`T6
struct ref < T &> e#Cv*i_<
{ zgAU5cw
typedef T & reference; Pzso^^g
} ; d)AYY}pw
}:#WjH^
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: LL( xi )
)=~&l={T
template < typename T > NpH8=H9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const :lB*km g
{ x0<;Rm [u=
return l(t) = r(t); /w?e(v<
} KOy{?
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。 lMY\8eobcB
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 '3>;8(sl
u<S`"MR:J
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 #%E`~&[
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: FHOw ]"#
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 y*iZ;Bv j
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 *cb|9elF^
最后的布局是: /whaY4__O\
Add )7
p"
-
/ \ =?OU^u`C
Divide 5 OXQ*Xpc
/ \ ?Y~t{5NJR
_1 3 DhM=q
似乎一切都解决了?不。 $@z77td3
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 U?0|2hR~
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 H+[?{+"#@l
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 1 (<n^\J(
eI1zRoIl-
template < typename Right > jSem/;
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Av.tr&ZNb
Right & rt) const Y7t#)?
{ 81Kf X {|
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); dtR"5TL<~}
} f]NLR>$L}
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 8oX1 F(R
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。 xk,Uf,,>
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。 x4q}xwH
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。 v}$Q
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。 ]Fy'M
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? ly%^\jW
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: |}G"^r
, /.@([C
template < class Action > Q#p)?:o/
class picker : public Action *wTX
{ W3.[d->X
public : `yfZ{<
picker( const Action & act) : Action(act) {} 0nwi5
// all the operator overloaded /!H24[tnk1
} ; y[ dBmTY
9+1{a.JO
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。 #`SAc`:n
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: f+ r>ur}\)
{>ba7-Cy+y
template < typename Right > {"wF;*U.V
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const R{@saa5I(>
{ UdO8KD#r3
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); x/s:/YN'
} AIHH@z
#*.!J zOg
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ^OY$
W
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。 &hWELZe0vv
b-&rMML
template < typename T > struct picker_maker (ks>F=vk*
{ I*-\u
typedef picker < constant_t < T > > result; ]KFh 1
} ; [5P-K{Ko
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > hY4# 4A`I
{ #&|"t<}
typedef picker < T > result; H:(B^uH
} ; M1Q&)am
(@^9oN~}
下面总的结构就有了: 45JL{YRN
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。 MRpMmu
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。 +
f6LG 0q
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 JT
7WZc)
至此链式操作完美实现。 j
e\!0{
pf8'xdExH)
H(^Ehv>
七. 问题3 vU>^
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。 XC3)#D#HGh
o9xc$hX}
template < typename T1, typename T2 > \'y]m B~k
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const
7UBDd1
{ )w].m
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); uc,>VzdB
} ;u2[Ww~k
Mq91HmC(@
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: gN/!w:
Q`bXsH
template < typename T1, typename T2 > /O[6PG
struct result_2 2c Xae
{ VN)WBv
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; vsI;ooR>
} ; R2)@Q
C@qWour
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? XIIq0I
这个差事就留给了holder自己。 ?A@y4<8R|
:j]6vp6
}%XB*pzQ
template < int Order > 0N1t.3U
class holder; L\4rvZa
template <> 8O^x~[sQ
class holder < 1 > [+WsVwyf?
{ mu
B Y
public : ?w/p 9j#
template < typename T > ^y>V-R/N
struct result_1 g=td*S
{ xC<