一. 什么是Lambda
Y(
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 _dY5qW1p
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, o}&{Y2!x
m-qu<4A/U|
D^QL.Du,
K'}I?H~P_
class filler 2,Aw6h;
{ m-6&-G#
public : ~ulcLvm:i
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 67;6nXG0K
} ; l^XOW- ;u
m*L5xxc!
$dxA7 `L
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: %)72glB
3-=AmRxW't
+I\54PBws
%Z+**>1J
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); PqIskv+
bU/4KZ'-^
y^e3Gyk
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ]%ewxF
@M OaXe
0~z`>#W,
d-C%R9
二. 战前分析 ;[79Ewd#$
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。 -dWg1`;
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 diNAT`|?#
.p]rS
=#
Dpwqg3,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bSz@@s.
/* --------------------------------------------- */ V%{WH}
vector < int *> vp( 10 ); ek. @ 0c
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); rq^%)tR
/* --------------------------------------------- */ =k*XGbU
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); mr2Mu
/* --------------------------------------------- */ ySB0"bl
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ie11syhV"
/* --------------------------------------------- */ Y]_$+Si:NK
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 1{5t.
/* --------------------------------------------- */ )"?eug}D
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); d&+0JI<
Ud Vf/PGx
[!>9K}z,=
f ~*7hv\
看了之后,我们可以思考一些问题: `dD_"Hdt
1._1, _2是什么? -uu&{$
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。 FW5v
1s=
2._1 = 1是在做什么? D^2lb"3
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。 @}19:A<'
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。 \>>P%EU,
-$kIVh
b\KbF/T
三. 动工 FrUqfTi+W
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: /\_n5XI1
m[(_fOd
6:L2oW 6}{
:<s`)
template < typename T > ok [_Z;
class assignment yf;TIh%)=
{ ahIDKvJ4
T value; ij|>hQC5i
public : w[D]\>QHa
assignment( const T & v) : value(v) {} p!~1~q6
template < typename T2 > D)pTE?@W'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } >_xuXEslUz
} ; YF-A8gXS
TpwN2 =
7R7+jL,
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Be6+YM5Cl
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment xkw=os
dA (n,@{
z;dRzwL
tHo|8c~[
class holder
K,JK9)T
{ \EU^`o+
public : \@yJbhk
template < typename T > {;E6jw@
assignment < T > operator = ( const T & t) const A^p{Cq@E
{ #Q)r6V:
return assignment < T > (t); |:&O!36
} y.I&x#(^
} ; f1v4h[)-
UPP"-`t
#qmsZHd}b
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: SE43C %hv
"/RMIS
K[;
static holder _1; JBLUX,
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 <&3aP}
utBrH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); m(?{#aaq
而不用手动写一个函数对象。 b1cVAfUP
<ShA_+Nd
|0oaEd^*}
$Hj;i/zD
四. 问题分析 r#2Fk&Z9
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 Z~QLjv&$/r
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。 xp'Q>%v
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 .4 U*.Rf
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8Z_ 4%vUBg
下面我们可以对这几个问题进行分析。 <K<#)mcv
j)Ak:l%a
五. 问题1:一致性 4bp})>}jB
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?| '2i !RT-
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ^9Cu?!xu0
A7%/sMv
struct holder 'Etq;^H
{ (xN1?qXB.
// 2_)UHTwsK
template < typename T > *Cf!p\7!
T & operator ()( const T & r) const T@i*
F M
{ d23=WNn
return (T & )r; z'$1$~I
} rD4umWi
} ; "f_qG2A{
K)wWqC.
这样的话assignment也必须相应改动: TEY~E*=}$
hmd3W`8D
template < typename Left, typename Right > (AtyM?*
class assignment M-@X&bm,S
{ N)
_24
Left l; 7L6L{~8
W
Right r; A"&<$5Q
public : CxjB9#
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} MjQju@
template < typename T2 > \.O&-oi
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Wh| T3&
} ; wiZ
S}
OO)
同时,holder的operator=也需要改动: dd<l;4(
z)U7
template < typename T > Dqii60
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const |u^S}"@3sU
{ :o{,F7(P
return assignment < holder, T > ( * this , t); Gj-nTN
} e%L[bGW'
;*<R~HJt
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 uOeal^uS
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 vg[3\!8z[
@-Ql6k
return l(rhs) = r; -qDqJ62mC
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 znTi_S
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 1<73uR&b%
>8kXa.)84
template < typename Tp > @WS77d~S
class constant_t 86 e13MF
{ ;J TY#)Bh
const Tp t; >~rlnRX
public : ERIMz,
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} QwWd"Of
template < typename T > ty.$H24
const Tp & operator ()( const T & r) const k:run2K
{ ;z.niX .fx
return t; mu@ J$\
} O_a^|ln&
} ; {FI*oO1A~
@QVg5
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 S\N1qux{
下面就可以修改holder的operator=了 4xmJQ>/
J|f29B-c
template < typename T > o>,r<
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const > B@ c74
{ >bze0`}Z
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 0t^FM<7G
} dGBjV #bNT
e~zgH\`
同时也要修改assignment的operator() rY45.,qWs
mLZ1u\7W
template < typename T2 > G@`F{l
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } X\P%C
现在代码看起来就很一致了。 -i2rcH
b|Emu!9U
六. 问题2:链式操作 . waw=C
现在让我们来看看如何处理链式操作。 'Tjvq%ks
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。 Ld}?da Pj
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。 Fb]+h)on
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。 !P=Cv=
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct VZWo.Br'W
*
&:_Vgu
template < typename T > {sC Ni
struct result_1 b~,e(D9DG
{ 196a~xNV
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; d'ZNp2L
} ; }`<&l
F/5G~17
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: `/>kN%
ylZQwICk
template < typename T > >pfeP"[(3
struct ref J@I>m N1\
{ ;(/go\m
tB
typedef T & reference; N, Ma\D+^t
} ; ErK1j
template < typename T > -t|/g5.w_
struct ref < T &> 0d_)C>gcF
{ l5Bm.H_
typedef T & reference; PO"lY'W.U
} ; 'l.tV7
)dhR&@r*w
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: w!20
49QsT5b)
template < typename T > F*PhV|XU
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const -/JEKwc
{ (^}t
return l(t) = r(t); ?lsK?>uU
} .u7}p#
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。 )C8^'*!
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 w g?}c ;
(46'#E z[F
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 $3HqVqF^R
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: *XhlIQ
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 = ){G
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 uxU-N
最后的布局是: cWkg.ri-x
Add 1WMZ$vsQUb
/ \ jDY
B*Y^F
Divide 5 Ol }5ry
/ \ V@`b7GM
_1 3 j;-Wf6h{
似乎一切都解决了?不。 dw <i)P^
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。 0#J~@1Gf
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。 1z6aMd6.
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: Z\IM~-
y 9]d{:9
template < typename Right > C{J5:ak
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const LBy`N_@
Right & rt) const Qjj }k)
{ -iDs:J4Iq
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); p2gdAJ
} _'!?fA
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 kuH%aM<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。 ;]-08lzO<4
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。 2O=$[b3
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。 jV sH
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。 ]AY 4bm
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? $k\bP9
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: vTK%8qoZ
k2D*`\
D
template < class Action > tw$EwNI[
class picker : public Action J=3{<Xl
{ 4P3RRS
public : Pw<?Dw]m
picker( const Action & act) : Action(act) {} ~DK.Y
// all the operator overloaded x *I'Ar
} ; 0(y*EJA$
U7x
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。 V|'@D#\
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: "mJo<i}
l ubsL I
template < typename Right > #EzhtuHxn
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const %]LoR$|Y
{ L>14=Pr^(
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Z2]0brV
} mKe6rEUs|
S5hc@^|0Z
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > arm_SyL0
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。 K]m#~J3d>
s=jmvvs_V}
template < typename T > struct picker_maker [}4zqY{
{ #g6 _)B=S
typedef picker < constant_t < T > > result; H2jypVs$2
} ; X
<xM '
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Dr.eos4 ~
{ yf:0u_&]
typedef picker < T > result; u<:uL
} ; \7LL neq
jv~#'=T'
下面总的结构就有了: F `:Q
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 bra2xHK@
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 Sn-#Y(>]o0
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 %6cr4}Zm}
至此链式操作完美实现。 vb~%u;zrC@
l\{Qnb(
*,X)tZ6VX
七. 问题3 }SSg>.48w
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ~},H+A!?
>V(C>^%->
template < typename T1, typename T2 > 0e8
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const epnZGz,A
{ mHMsK}=~
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); .vKgiIC:
} r!!uA1!7
7%"|6dw
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: U=D;CjAh
B@-\.m
template < typename T1, typename T2 > 7RUztu\_
struct result_2 YeOn
{ [1(eSH
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; hD5@PeLh
} ; GcRH$,<XG
{O _X/y~
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? aZ~e;}w.Zq
这个差事就留给了holder自己。 X]}ai5
I '0[
*x8~}/[T(F
template < int Order > ZiR}S
class holder; G%~V b
template <> |gA@$1+}
class holder < 1 > 9q?knMt
{ 5]*lH t
public : bq7+l4CGTv
template < typename T > mfZbo#KS#v
struct result_1 |iJz[%
{ .K~V DUu
typedef T & result; On);SN'
} ; O])vR< [
template < typename T1, typename T2 > ,$Fh^KNo]
struct result_2 M
%zf?>])
{ +iN!$zF5]
typedef T1 & result; x}a?B
} ; GThGV"
template < typename T > ,zZH>P
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const waC i9
{ Q%aF~
return (T & )r; R~oY
R,L;
} ]Qe~|9I
template < typename T1, typename T2 > ,'c%S|]U7
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const FiQ&g*=|
{ <tTNtBb
return (T1 & )r1; 1<@lM8&.kO
} wOL%otEf
} ; 53uptQ{
60~*$`
template <> /TbJCZ
class holder < 2 > bzpi7LKN
{ $]?pAqU\
public : 27gHgz}}
template < typename T > 0*:n<T9
struct result_1 h(q4
B~
{ #p=+RTZ<
typedef T & result; %+/v")8+?
} ; 1<x5{/CZ
template < typename T1, typename T2 > wa[J\lW
struct result_2 N/-(~r[
{ CPa+?__B
typedef T2 & result; gm]q<~eMW
} ; ?z)2\D
template < typename T > \Yp"D7:Qi
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const B_Wig2xH0
{ ShRMzU
return (T & )r; OtL~NTY
} 7y&