一. 什么是Lambda 7cIC&(h5
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
uY.=4l
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, 285_|!.Y
F0@Qgk]\
.
_1jk
g d z
class filler aRbx
{ k1wCa^*gc
public : "e~k-\^Y
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} S3SV.C:z>
} ; 'I&|1I^
,`;jvY~Ec
RS'} nY}
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: HR;/Br
uA~YRKer
y)6,0K {k
NA+&jV
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); G7
1U 7
sa_R$ /H
u FMIY(vB
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 DC&A1I&
/@Ez" ?V2
C1V# ?03eI
!tI=`Ml[
二. 战前分析 3DH.4@7P
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。 p ss6Oz8
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 _)Qy4[S=d
,
Hn7(^t
BEln6zj
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bFSlf5*H
/* --------------------------------------------- */ pFpZbU^
vector < int *> vp( 10 ); (Up'$J}
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); #e*X0;m
/* --------------------------------------------- */ Ejq=*UOP
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); lj)f4zu
/* --------------------------------------------- */ vK(I3db!
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); CoJ55TAW
/* --------------------------------------------- */ ^"1TPd|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); cFLd)mt/
/* --------------------------------------------- */ 4GVNw!V
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); T'8RkDI}-
]pWP?Ws
)%s +?
\ EZ+#3u
看了之后,我们可以思考一些问题: BjiYv}J
1._1, _2是什么? ,*dzJT$k
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。 F+Z2U/'a
2._1 = 1是在做什么? 9UP:J0 `
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。 _vL<h$vD
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 &Cq{
_M
.!i0_Rv5x
P<u"97@8a
三. 动工 6^sHgYR
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: e&2wdH&
@&5 A&(
4b4QbJ$
aM$\#Cx
template < typename T > eaQ90B4
class assignment nX._EC
{ 6yI}1g
T value; k,rWa
public : _9NVE|c;
assignment( const T & v) : value(v) {} }kE87x'
template < typename T2 > J='W+=N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 0N{+y}/G
} ; i&A%"lOI9
XvskB[\
W
(`c
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 azo0{`S?
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment < A?<N?%o
snYr9O[E6
Q2eXK[?*
|) Pi6Y
class holder t8&q9$
{ Jf)3< ~G
public :
: tM?%=Q
template < typename T > b{RqwV5P
assignment < T > operator = ( const T & t) const F6W}mMZH/N
{ Pd~MiyO;K
return assignment < T > (t); 2zK"*7b?
} &x0C4Kh
} ; f7J,&<<5w
iITp**l
C0fmmI0z~
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: YsP/p-
!8*McOI
static holder _1; 'L{p,
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ~Fw<eY
] TSg!H
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); m_*R.a
而不用手动写一个函数对象。 .#fPw_i
:[sOKV i
K;U39ofW
kX[fy7rVt
四. 问题分析 We}lx{E
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。 Z^zbWFO]5
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。 m&IsDAn
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 %M&3VQ9w
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 aqMc6N`z
下面我们可以对这几个问题进行分析。 t)N;'v &
e"Rm_t
五. 问题1:一致性 5)'P'kVi7.
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?| o2=A0ogz?
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 -[R!O'N9
=MLf[
struct holder XoR>H4xh
{ +y&d;0!
// dB;3.<S=
template < typename T > "&lN\&:
T & operator ()( const T & r) const Z0ReWrl;`
{ )ofm_R'q*
return (T & )r; #tjmWGo,
} t`G)b&3_O
} ; o>c^aRZ{
#SkX@sl@
这样的话assignment也必须相应改动: 8g*hvPc
*7" L]6
template < typename Left, typename Right > Ht[{ryTxu
class assignment :?CQuEv-
{ Y
?'tUV
Left l; &Un6ay
Right r; ~]WVG@-
public : ,P6=~q3k
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} aMK~1]Cx
template < typename T2 > V5"HwN+`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } dqe7s Zl!
} ; X=~V6m
b |7ja_
同时,holder的operator=也需要改动: Y )b@0'
0{) $SY
template < typename T > 4h|dHXYZ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 7@~tVxB;
{ R1ktj
return assignment < holder, T > ( * this , t); fSA)G$b]
} nl1-kB)$e|
5j^NV&/_
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 C3VLV&wF
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 :b/jNHJU
sR=/%pVN
return l(rhs) = r;
k0H#:c}
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 z.)p
P'CJo
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: naNyGE7)
TJy4<rb
template < typename Tp > }$gmK
class constant_t M>l^%`
{ N.j
"S'(i
const Tp t; |(% u}V?
public : Zzj0\?Ul
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} cA;js;x@
template < typename T > uDuF#3
+"
const Tp & operator ()( const T & r) const 1u}nm;3
{ $Ui&D
I
return t; orIQ~pF#
} jo98
jA<
} ; \u{8Bak0
qpqokK
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 -5>NE35Cto
下面就可以修改holder的operator=了 =%qEf
F#V q#|_)>
template < typename T > p-$Cs _{Z
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const \ijMw
{ GAEO$e:
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); rZwB>c
} eN-au/kN
BC/_:n8O
同时也要修改assignment的operator() 3Wx,oq;4-
tRfm+hqRZ
template < typename T2 > 1BTIJ G w
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 9dKul,c
现在代码看起来就很一致了。 7#2j>G{?]v
7*+TP~WI
六. 问题2:链式操作 j"7
JLe*
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -50AX1h31:
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ;Zut@z4\
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 JlZ0n;
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 jO'|mGUM
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ]tt} #
fCX*R"
template < typename T > ;")A{tX2
struct result_1 8cVzFFQP
{ q<{NO/Mm
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; +=3CL2{An
} ; H[Weu
6yIvaY$KR
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: n2ndjE$
0SV \{]2
template < typename T > [Ot,q/hBJ
struct ref 3]LN;s]ac
{ JW+*d`8Z[
typedef T & reference; (> "QVxr
} ; rVryt<2:@r
template < typename T > ZX.TqvK/r
struct ref < T &> XZph%j0o
{ sbsu(Sz+
typedef T & reference; V1bh|+o9
} ; $Ua56Y
HW_& !ye
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: F@vbSFv)/
hWEnn=BW
template < typename T > H{`{)mS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const $k2)8 #\
{ w:ULi3
return l(t) = r(t); 1B:aC|B
} O!R"v'
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 w2"]Pl
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 -- k:a$Nt
`T WN^0!]
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 <'m6^]:
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: clDHTj=~
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 @LX6hm*}
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 M] EsS^/X
最后的布局是: lrEj/"M
Add \8b6\qF/\
/ \ x8N|($1
Divide 5 )ly
^Ox
/ \ ^Udv]Wh
_1 3 Omyt2`q
似乎一切都解决了?不。 IF_D Z
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。 |:q/Dt@
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。
$aP(|!g
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: X>l*v\F9
G*n2Ii
template < typename Right > j$@tK0P
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const _a'A~JY
Right & rt) const hU {-a`
{ T~>#2N-Z
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); cvo[s, p
} I3y9:4
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 FxU'LN<;HY
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。 vv5i? F
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。 =!.mGW-Q}
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。 (Wj2?k/]
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。 -G`.y?
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? T0e<Slo~C
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: ST',4Oph5
$&{IKP)u
template < class Action > 80hme+e
class picker : public Action tL(B pL'
{ 2[R$RpA_
public : \U @3`
picker( const Action & act) : Action(act) {} }DIF%}UK\
// all the operator overloaded =_d%=m
} ; ]H[8Z|i""
/9 hR
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。 Fr:5$,At7-
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: l(kr'x
P:!)9/.2
template < typename Right > C7qYiSv
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const S*t%RZ~a
{ h=+$>_&:
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 0D[@u3W
} By((,QpB
q-AN[_@
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > $k0H9_
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 c@du2ICUc
o$J6 ~dn
template < typename T > struct picker_maker RUXCq`)"<
{ +x1/-J8_sg
typedef picker < constant_t < T > > result; N6/T#UVns
} ; 8jnz}aBd
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > !1:@8q
{ w]!0<
typedef picker < T > result; R}{GwbF_\
} ; 0i@:KYP
.iv3q?8.b
下面总的结构就有了: A WJWtUa
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。 {d!Y3+I%G
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。 ^ddO&!U
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 <^><3U`
至此链式操作完美实现。 bLS&H[fK
Wmz`&