一. 什么是Lambda )1lYfJ
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 |~#!e}L(
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, ++Az~{W7
h9g5W'.#
:%!=Ej.J
#^xiv/sV
class filler SYa!IL-B
{ 2R:['QT
public : NVJvCs)3f
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} "AUY+ LN
} ; ^9qncvV
;l}TUo
B@.U\.
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: [rE,fR
TX*s T
z}u
c>=[|F{{e
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); wyvs#T
6i=m1Yk
(p^q3\
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 &eK8v]|"W
-`f JhQ|
y4P mL
j~Rh_\>Q
二. 战前分析 )]X_')K
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。 }w"laZ*
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 is#?O5:2
Kax85)9u
0#XZ_(@%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Gq+!%'][P
/* --------------------------------------------- */ c1jgBty
vector < int *> vp( 10 ); 4+ yd/^S
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); #UI@<0P)
/* --------------------------------------------- */ 'DRyOJn r
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); O_KL#xo
/* --------------------------------------------- */ _oe2pL&
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); *8X: fq
/* --------------------------------------------- */ :N%]<Mq
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); o5. q
/* --------------------------------------------- */ 3 T&m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 0o(/%31]
'rq
[P",
oy/#,R_n%
a"#5JcR3
看了之后,我们可以思考一些问题: UO>p-M
1._1, _2是什么? %J2u+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。 ~(4cnD)BO
2._1 = 1是在做什么? o`h F1*yp
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。 *<s|WLMG
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。 /38^N|/Zr
wArNWBM
M0"xDvQ
三. 动工 pbloL3d.;+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: YadyRUE
{@B<$g
3mr9}P9;
A!goR-J]
template < typename T > `')3}
class assignment ? 0nbvV5v7
{ (Cqhk:F
T value; )[G5qTO
public : A5Y z|
assignment( const T & v) : value(v) {} :;)K>g,b
template < typename T2 > UT]LF#.(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 6W#M[0
} ; M2vYOg`t:c
/,GDG=ra
sh E>gTe
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 "aAzG+NM
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment CbI[K|
gnx!_H\h<
vY}/CBmg
uK3,V0 yz
class holder X;ijCZb3b
{ 5wiU4-{
public : <Cn-MOoM
template < typename T > NfDg=[FN[
assignment < T > operator = ( const T & t) const AdR}{:ia
{ o}Dy\UfU
return assignment < T > (t); z/6eP`jj
} O6lj^
} ; V\X.AGc
vYrqZie<
d,+d8X
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: >g8Tl`P,iN
5A:b
\
static holder _1; 1Cp5a2{
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 oT%~)g
Pou`PNvH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); DHgEhf]
而不用手动写一个函数对象。 6\/C]![%
1i#M(u_
/<
h~d
I tp7X
四. 问题分析 Lc0^I<Y
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 rFdq \BSi
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 wUW+S5"K
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 J=|fxR
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 C!%BW%"R
下面我们可以对这几个问题进行分析。 &37QUdp+p
}_:^&cT
五. 问题1:一致性 *d?,i-Q.+
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| *siS4RX2
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 |*i0h`a
7`|$uIM`
struct holder s?7g3H5#0k
{ N[z7<$$
// /
~w\Npf0
template < typename T > Nt'(JAZ;
T & operator ()( const T & r) const SA)}---"
{ #3\F<AJ<VB
return (T & )r; lLS`Ln)"
} *";,HG?|Iz
} ; %Nzg~ZPbmT
ORyFE:p$
这样的话assignment也必须相应改动: H'&x4[J:
oCXBek?\
template < typename Left, typename Right > >z.o?F
class assignment rpQB#
Pz
{ egK,e?~
Left l; aOA;"jR1
Right r; +tES:3Pi
public : .@gv}`>
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Jf YO|,
template < typename T2 > ((B7k{`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } m9a(f >C
} ; <Gr{h>b
Qt+ K,LY
同时,holder的operator=也需要改动: |Q?IV5%$
pg [F{T<
template < typename T > I+kDx=T!
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const %q`_vtUT
{ g3Xq@RAJ c
return assignment < holder, T > ( * this , t); A8dIL5
} S
XIo
Wg3y
y8vIW
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。 [wj&.I{^s
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 (6L[eWuTn
{%)bxk6
return l(rhs) = r; Z)~.OqRw]
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。 aP>%iRk'J!
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: AQDT6E:
R%"wf
template < typename Tp > r**u=q%p
class constant_t 4S`2")V
{ vxzh|uF
const Tp t; pGc_Klq
public : %J5zfNe)&
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} >RG
}u
template < typename T > ?;ZTJ
const Tp & operator ()( const T & r) const FrIgu k1
{ Rjqeuyj:
return t; jn&[=Y-
} '+hiCX-_
} ; Pe6MDWR
t5\~Z}G8
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 )}0(7z
Yu
下面就可以修改holder的operator=了 j,Eo/f+j5
'j 'bhG
template < typename T >
{F+7> X
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const {r?O>KDQf(
{ $8kc1Q
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); T<=Ci?C
v
} !iN=py
d OQU#5
同时也要修改assignment的operator() w4\b^iJz
sk5h_[tK
template < typename T2 > m-xSF]q=<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } PO%Z.ol9
现在代码看起来就很一致了。 LBh|4S$K
@T0F }(k
六. 问题2:链式操作 82nQ]
现在让我们来看看如何处理链式操作。 AcqsXBKd
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。 *yN+Xm8o
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。 jjN]*{s
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。 'vq-~y5^#
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct {*RyT.J
:G=N|3
template < typename T > "g;^R/sfq
struct result_1 b) "bX}
{ 9D#"Ey
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; %SaC[9=?
} ; TcPYDAa
5V;BimI
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: )kfj+/
NokAP|<y
template < typename T > o?BcpWp
struct ref :s`~m;Y9?
{ D[yOFJ~p)
typedef T & reference; DgQw`D)+
} ; =~}\g;K1Q
template < typename T > Z7a~M3VnZ
struct ref < T &> P1tc*2Z
{ 5v
>0$Y{
typedef T & reference; r%\(5H f
} ; ca%s$' d
-'ePx f
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 9y "R,
f_2tMiy5
template < typename T > P(D0ru
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const IhoV80b
{ i P gewjx
return l(t) = r(t); v[~e=^IIsl
} kcGs2Y_*&
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 )!M %clm.
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 7DQ{#Gf#G
BV_rk^}Ur
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ~5g2~.&*
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 0~
!).f
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 lJ1_Zs `
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ZZ|a`U
最后的布局是: JDeG@N$
Add @Cg%7AF
/ \ /Z`("X?_Kf
Divide 5 E_k<EQ%r
/ \ gx,BF#8}
_1 3 b|F4E{{D^
似乎一切都解决了?不。 #D4gNQg@R
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。 M#ED49Dh>
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。 o,}`4_N||
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: ,v(K|P@
r1dP9MT\8
template < typename Right > /<ODP6Yy;
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const GxjmHo
Right & rt) const /=4 m4
{ ^~\cx75D
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); >.'rN>B+
} c4H5[LPF
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 c%,@O&o
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。 'e
@`HG
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。 kYMKVR
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。 2GB)K?1M
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。 /BeA-\B
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? 2UqLV^ZY
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: P|c[EUT
$d\]s]}`
template < class Action > ai|d`:;
class picker : public Action u~[=5r
{ od\-o:bS
public : kC:GEY<N:Q
picker( const Action & act) : Action(act) {} O.OPIQ=?:w
// all the operator overloaded KA^r,Iw
} ; 'VVEd[
Am>^{qh9
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。 ;J<K/YdI
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: 4I&e_b< 30
mIk8hA@B_
template < typename Right > a@+n
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const l}\q }7\)
{ &USKudXmb
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); IXQxjqd^
} ]nmVT~lBe"
=Rv!c+?
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > N`o[iHUj \
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。 )g;*u,C
{DfXn1Cg0U
template < typename T > struct picker_maker Rb!V{jQ
{
NW$_w
typedef picker < constant_t < T > > result; 2GRL`.1
} ; MLVrL r t
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ,dyCuH!B
{ :`U@b
6
typedef picker < T > result; ,e]|[,r#5
} ; YC,s]~[[
#>[BSgW
下面总的结构就有了: X1LwIa>
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 _o,Mji|
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 c_p7vvI&c0
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 VH*4fcT'D
至此链式操作完美实现。 y+jOk6)W75
T-.Q
CSu}_$wC#
七. 问题3 n*yVfI
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。 kx3?'=0;5
Ih RWa|{I
template < typename T1, typename T2 > l:Hm|9UZ
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const xJ=@xfr$
{ XXwe/>J
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); mT:Z!sS
} TAd~#jB9
nogdOGo
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: 3Ql77?&k
aFfd!a"n
template < typename T1, typename T2 > coG_bX?e
struct result_2 a%FM)/oI|T
{ DERhmJ;>H
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; V:Z}cfR .7
} ; L'A>IBrz
v%|S)^c?:
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? VyF|d?b
这个差事就留给了holder自己。 >)+-:
#gQaNc?
h!yI(cY
template < int Order > %qI.Qw$
class holder; sfo+B$4|
template <> TAE@KSPvo
class holder < 1 > )fGIe rS
{ p$S\l] ,
public : v4$"{W;'
template < typename T > vGIe"$hNh
struct result_1 &xg