一. 什么是Lambda G=yQYsC$
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 -pg7>vO 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,
`I6)e{5t
2eyvY|:Q>
jWP(7}U
G@,qO#5&
class filler Lc<Gny^
{ F!zZIaB]
public : Kq-y1h]7H
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} aASnk2DFd
} ; pC#Z]_k
<@;e N&
jUBlIVl]
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: J
)@x:,o
x%cKTpDh!
%pTbJaM\U
4I {|M,+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); QbOmJQ
QD\S E
RsTpjY*Xb
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 .z+QyNc:
)I!l:!Ij*D
8MW|CM4Q
p9l&K/
二. 战前分析 \% ^<Ll
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。 g*Cs/w
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 2Ybz`O!
m#%5H
nNBxT+3*i
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 );
ckhW?T>l
/* --------------------------------------------- */ tk1qgjE(?
vector < int *> vp( 10 ); +twBFhS7k
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ?+`Zef.g
/* --------------------------------------------- */ <
> f12pu
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); hr]NW>;
/* --------------------------------------------- */ 1iF
|t5>e
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); WGp81DNS|
/* --------------------------------------------- */ 1*>a
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); S1`+r0Fk~n
/* --------------------------------------------- */ 0 B3*\ H}5
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); w9.r`_-
Zu~ #d)l3N
puMpUY
mE^6Zu
看了之后,我们可以思考一些问题: <7^_M*F9
1._1, _2是什么? (sr_&7A
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 Fg0}
2._1 = 1是在做什么? =(Gv_
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。 `$MO.K{
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 L$(W*
PG}
mjy%xzVr6^
\B2=E
三. 动工 d@] 0 =Ax
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: PX]A1Kt?
z
KJ6j ]m
HESwz{eSS
}>)"!p;t_
template < typename T > wPqIy}-
class assignment jL`S6E?7
{ r,yhc =
T value; |? r,W~9`
public :
].:S!QO
assignment( const T & v) : value(v) {} (M5=8g%>d
template < typename T2 > >@TZYdl
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } !>t|vgW
} ; #a}fI
=A=er1~%
c*1B*_08
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 K6|*-Wo.
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 'lIT7MK
:/Sx\Nz78
M[TgNWl/[
eJJvEvZ,
class holder 7i6-Hq
{ UyK|KL
public : JrCm >0g
template < typename T > Fz>J7(Y.j
assignment < T > operator = ( const T & t) const dc%+f
{ $!KV]]
return assignment < T > (t); T4\,b
} trgj]|?M
} ; Z8nNZ<k
LD^V="d
% YU(,83(+
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: EJZl'CR
oD!72W_:
static holder _1; N,Y<mX
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 *K m%Vl
Ij{{Z;o3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); WERK JA
而不用手动写一个函数对象。 rxm!'.+
vco:6Ab$
X$%RJ3t e
ZH~m%sA
四. 问题分析 Hyq|%\A
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 X "1q$xwc
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。 }$iH3#E8
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 *qKwu?]?>
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 SV8rZWJ
下面我们可以对这几个问题进行分析。 G H^i,88
PTL52+}/
五. 问题1:一致性 X3RpJ#m"'
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| D!)'c(b
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 FV:{lC{h~
HOu<,9?>Q
struct holder j:]/AReOL
{ _=4Dh/Dv
// yfuvU2nVH
template < typename T > y;#p=,r
T & operator ()( const T & r) const E: XzX Fxx
{ #7gOtP#{
return (T & )r; &\c$s
} h}+,]^
} ; J/RUKhs/
^qV*W1|0
这样的话assignment也必须相应改动: &o:ZOD.
/ ^!(rHf
template < typename Left, typename Right > n;O
3.2
class assignment 3(vI{[yhT
{ ##R]$-<4dQ
Left l; G^ n|9)CVW
Right r; "o[\Aec:
public : .;*0odxv
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} i,* DWD+
template < typename T2 > > -k$:[l
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } \ m2[
} ; 97$y,a{6
^B]M- XG
同时,holder的operator=也需要改动: F"a,[i,[W
)`;?%N\
template < typename T > Vs9fAAXS4
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const nQ/(*d
{ 8!:4m"Y
return assignment < holder, T > ( * this , t); nLo:\I(
} mN~;MR;
N"HN]Y@w
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ~_^nWT*BV
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 2R|2yAh
0/-[k
return l(rhs) = r; R,6?1Z:J
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 HHg=:>L z
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: MZ% P(5
qK(?\t$
template < typename Tp > ` LU&]NS3
class constant_t t{x&|%u
{ dd98vVj
const Tp t; yK [~(!c5
public : !cWKY\lpv
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} .@ 1\26<
template < typename T > )c+ZQq
const Tp & operator ()( const T & r) const nFxogCn
{ t%N#Yh!
return t; o.y4&bC14;
} F+c*v#T
} ;
) VJ|
&wLI:x5
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 s_EiA _
下面就可以修改holder的operator=了 {^$rmwN
eQzSWn[
template < typename T > JX>_imo
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const _gw~A{O
{ [&)9|EV
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); bYowEzieF
} RHE< QG
=Z%&jul
同时也要修改assignment的operator() Pu}r`
E_
#!Kg?BR2
template < typename T2 > ,X9Y/S
l
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } CX\#
|Q8q
现在代码看起来就很一致了。 LTFA2X&E=
y{"8VT)
六. 问题2:链式操作 TLO-$>h
现在让我们来看看如何处理链式操作。 8G(wYlxi
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。 ;~xkT'
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。 oh,Nu_!
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。 "4Anh1,js
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct L3i\06M
U
.G*C
template < typename T > 5RZAs63t
struct result_1 qmJFXnf
{ %o*afd
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; >W 8!YOc
} ; 4sROMk=l
[+ 1([#
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: 0'aZ*ozk
uXtfP?3Vy
template < typename T > =C5[75z#+
struct ref [(UQQa=+
{ uw;s](~E
typedef T & reference; H^'EY:|
} ; "f5u2=7 }
template < typename T > VZw( "a*TB
struct ref < T &> >;0z-;k6
{ N=:yl/M
typedef T & reference; !"p,9
} ; #YhKAG@|
saYn\o"m
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ]3 Mm"7`
H6e^"E
template < typename T > Q/0;r{@Tq}
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const )3z.{.F
{
31J7# S2
return l(t) = r(t); IKAF%0[R|j
} )lH?XpfTjm
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。 5.5dB2w
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 qH"0?<$9
24|:VxO
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 kD"dZQx
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: wBCnP
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 U3A>#EV
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 sHh2>f@x$
最后的布局是: )e]:T4*vo
Add :n>:*e@w%
/ \ r\_aux^z
Divide 5 'VR5>r
/ \ l.b
_1 3 e`8z1r
似乎一切都解决了?不。 gY;N>Yq,C
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。 e#&[4 tQF
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。 := *>:*.Kb
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: o3}12i S
`| R8WM
template < typename Right > &[JI L=m5
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const b@5&<V;r2
Right & rt) const vJXd{iQE@C
{ L'z?M]
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); r}03&h~Hc&
} QT^(
oog=
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 :tR%y"
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。 E39:}_IV
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。 >-+MWu=
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。 lL%7lO
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{ F>=z"(l
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? kZF\V7k
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: {TUCa
{`l]RIig
template < class Action > c3oI\lU
class picker : public Action qY#*zx
{ ^W#[6]S
public : @yobT,DXi
picker( const Action & act) : Action(act) {} XTHrf'BU
// all the operator overloaded :GGsQ
n
} ; K\n %&w
$m{\<A
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。 Tz%l9aC
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: ,3N8
ZFrK'BvbR
template < typename Right > 2Uu,Vv
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 8> O'_6Joj
{ TvM{ QGN
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); VwtGHF'
} ^JYR^X>_
r]8tl
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > <*4=sX@
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。 {jlm]<