一. 什么是Lambda %ZoJu
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 w}1IP-
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, vGyQ306
])?dqgwa
B<s+I#
Hs)]
class filler r)S:=Is5
{ I~l_ky|a !
public : S+06pj4Ie
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |6d:k~p
} ; HJr/N)d
6teu_FS
Q3>qT84
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: r^"o!,H9q
:fmV||Q
k?h{6Qd
Mzg3i*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); NATi)A"TZ
:(enaHn#~
q2
7Ac;y
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 W4 q9pHQ
5V<6_o
9y\nO)\Tv
w8D8\`i!"
二. 战前分析
&K]|{1+
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。 X:Y1g)|K
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 `_vPElQXZ#
Vc'p+e|(
[%>*P~6nK
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); q"Bd-?9
/* --------------------------------------------- */ 7eq.UyUxs
vector < int *> vp( 10 ); 3wN4kltt
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); CH+%q+I
/* --------------------------------------------- */ hak#Iz0[C
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); g{DOQA
/* --------------------------------------------- */
=pe O%
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 9I 6^-m@:
/* --------------------------------------------- */ "^t7]=q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); _x5-!gK
/* --------------------------------------------- */ R@WW@ Of
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); /,7#%D
*Iw19o-I
Q\X_JZ
blz#M #
看了之后,我们可以思考一些问题: &h[)nD
1._1, _2是什么? G%gdI3h1Z
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。 0D:uM$
i]
2._1 = 1是在做什么? @uC-dXA"
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。 3znhpHO)
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。 M/V"Ke"N
F-Z>WC{+
Q9y|1Wg1W
三. 动工 iP7KM*ks
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: e7G>'K
/_fZ2$/
h<m>S,@g
:%Z)u:~':
template < typename T > Ct/6<
class assignment Ql7opl,
{ FIn)O-<
T value; $.DD^ "9
public : RW>F %P
assignment( const T & v) : value(v) {} m$Tt y[0
template < typename T2 > /XRgsF
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ^umHuAAE
} ; Ahd{f!
M]\"]H?
oQyMs> g
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 T5~Qfl?Y
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment #oGvxc7
"6$+B/5
g 'L$m|
TuMZHB7h;
class holder yyR@kOGga
{ Zf u" 8fX
public : W6B o\UK
template < typename T > !/&~Feb
assignment < T > operator = ( const T & t) const tORDtMM9+
{ GmGq69]J*
return assignment < T > (t); n;b9f|&z
} 0g#?'sD
} ; QqY42hR
'U`I
DF#WQ8?$]
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: 9DXu*}
(K"t</]
static holder _1; Q6Zh%\+h(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Sdmynuv
U
S4O:?^28
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); >|T?87
而不用手动写一个函数对象。 =7P; /EV
/=OSGIJzm
b!37:V\#}
X>jwjRK
$
四. 问题分析 q33!X!br
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。 6a`_i
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。 kLY9#p=X
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 \t&6$"n(B6
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 I|[aa$G
下面我们可以对这几个问题进行分析。 sEfGf.
xcIZ'V
五. 问题1:一致性 nuv$B >
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?| 28+Sz>SP
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 y+iuA@WCv
%@M/)"k
struct holder fs]Zw mA^
{ 7]9s_13]
// ;v+CQx
template < typename T > e;}5~dSi
T & operator ()( const T & r) const >Q\H1|?
{ ELNA-ZKp
return (T & )r; WU,72g=
} $t</{]iX
} ; qXW2a'~
2|w.A!
这样的话assignment也必须相应改动: u&I~%s
~(0Y`+gC
template < typename Left, typename Right > VF==F_l
class assignment LRd,7P
{ XWy
iS\
Left l; s_h<
Right r; ow`c B
public : ;1OTK6
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} O,1u\Zy/
template < typename T2 > VZlvmN
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 7iJk0L$]x
} ; =v5(*$"pd"
^lMnwqx<
同时,holder的operator=也需要改动: (U dDp"/
f,a4LF
template < typename T > o_*|`E
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const WE~3(rs#X#
{ N$,)vb<
return assignment < holder, T > ( * this , t); O-2H!58$)
} ^9b
`;}) .
L,4^Of
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 R+JI?/H
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 x?<5=,
j1iC1=`ZM
return l(rhs) = r; Q6W)rJ[|
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 /tv;W
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: E:E&Wv?r
=L
wX+c
template < typename Tp > `Zi #rr|)L
class constant_t o5$K^2^g
{ D\l.?<C
const Tp t; _0j}(Q>|H#
public : S+>]8ZY
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 0De M
template < typename T > mVL,J=2
const Tp & operator ()( const T & r) const < 5_Ys
{ 9FLn7Y
return t; gX _BJ6
} v!U# C[a^
} ; f8^58]wx0
@>:07]Dxo
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 imhq*f#A[
下面就可以修改holder的operator=了 /#se>4]
/[IQ:':^
template < typename T > l{a&Zy)
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const \mu9ikZ<
{ ,]{NZ9
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); EXFxiw
} rYS D-Kq
,"VQ0Z1
同时也要修改assignment的operator() q
|^O
0amz#VIB<u
template < typename T2 > @YB\PVhW
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } +e:ZN
tr9
现在代码看起来就很一致了。 2!3&Ub#FO
Wkk Nyg,
六. 问题2:链式操作 S7q&|nI
现在让我们来看看如何处理链式操作。 2!otVz!Mh
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。 ">QY'r
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。 bgK(l 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。 rpT<cCem1
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct N]<gHGj}
XfrnM^oty
template < typename T > _dBU6U:V
struct result_1 h*9o_
{ _z 5CplO
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ,;-*q}U
} ; L K~,
?mAw"Rb!
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: LG|,g3&
c6m,oS^
template < typename T > w;$+7
struct ref JAz;_wS(k
{ -N(MEzAE
typedef T & reference; ">9CN$]J
} ; y4L9Cxvs
template < typename T > NFc8"7Mz}
struct ref < T &> a!K;8#xc
{ \-0` %k"&
typedef T & reference; zNf5OItx
} ; k-e@G'
G]1pGA;
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: yMkd|1
$bosGG
template < typename T > 9p4U\hx
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ex+AT;o
{ 5Z,lWp2A
return l(t) = r(t); /,UkT*+>!
} ~`E4E
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 B^?XE(.
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 i=oa"^c4
WCu%@hh=h
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ,GnU]f
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: z0[ZO1Fo(
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 >2
qP
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 RWo B7{G
最后的布局是: B-|Zo_7
Add UYOn
p7R<
/ \ vB*oI~<
Divide 5 8!6*|!,:?n
/ \ hob$eWgr
_1 3 n5/Tn7hY
似乎一切都解决了?不。 ?|GxVOl
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。 Dg+d=I?
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。 Zwns|23n
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: r![JPhei
n^02@Aw
template < typename Right > Ds_
"m,
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const *$C[![
Right & rt) const yWtr,
{ u(Sz$eV
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); a?~csP^?}
} ONiI:Z>%
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 z44~5J]
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。 SYPMoE!U:
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。 l|em E
^
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。 \q'fB?bS^
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。 )N6[rw<