一. 什么是Lambda w{T$3F`@9
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 [g@qZ5I.
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, 7Z:HwZ
~b#<HG\,,
t*Ro2QZ
J&h59dm-
class filler rz|Sjtq
{ 'qiAmaX
public : mz1m^p)~{
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} AaB1H7r-
} ; ulN1z
1t/c@YUTy
XN
t` 4$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: Q?j '4
0&NM=~
R?lTB3"
l[5** ?#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); <astIu Au
Rh6CV
j8e=],sQ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 &/^p:I
sV5k@1Y
[V?HK_~
9.dZA9l@g
二. 战前分析 9(HGe+R4o
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。 @+M1M2@Xz
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 _Fj\0S"
AX{<d@z`j
rT;l#<#VE
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ts[8;<YD
/* --------------------------------------------- */ 7\$}|b[9
vector < int *> vp( 10 ); ,ynN801\m
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); +fozE?
/* --------------------------------------------- */ T7ShE-X
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); In%FOPO
/* --------------------------------------------- */ r`FTiPD.C
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ?$A)lWk(
/* --------------------------------------------- */ S`mB1(h
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); C<:wSS^@1
/* --------------------------------------------- */ 0# 1~'e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); P;y!Y/$ C
9fbo
n@kJ1ee'
h){ #dU+&
看了之后,我们可以思考一些问题: @/As|)
1._1, _2是什么? D.7cWR`Wp
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。 B(71I;
2._1 = 1是在做什么? |uFb(kL[U
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。 l#ct;KZ
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。 g1F9IB42@<
nw*a?$S3
{s*1QBM$\Z
三. 动工 ~a7@O^q4
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \hlS?uD\
TGG=9a]m
mg70%=qM0f
j4@6`[n:
template < typename T > *R4=4e2#S
class assignment .u7grC C
{ v%`k*n':
T value; E<B/5g!
public : m#Z9wf] F
assignment( const T & v) : value(v) {} (mi=I3A(
template < typename T2 > lv.h?"Ml
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 15|gG<-
} ; "3 2Ua3m:G
KTo}xLT
H<^3H
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Zg= {
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Yqu/_6wLx
(NnE\2
hP[/xe
x5rm
2C
class holder fK@UlMC]7
{ 2WKIO|'
public : Ygfy;G%
template < typename T > OL#i!ia.
assignment < T > operator = ( const T & t) const Q-s5-&h(
{ h>xB"E|.
return assignment < T > (t); z:O:g?A
} b4KNIP7E
} ;
0lqh;/
l'!_km0{d
ZW;Re5?DJ
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: Bq4@I_b
#cD$
DA
static holder _1; =y?Aeqq\fl
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 p*zTuB~e <
@1k-h;`,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); A$P Oc<
而不用手动写一个函数对象。 a(-t"OL\
6]!Jo)BF
N^[MeG,8
$RRh}w\0^
四. 问题分析 vl s+E o]
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。 (S=CxK
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。 ffOV7Dxy
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 'UCClj;?K
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 gz:US77
下面我们可以对这几个问题进行分析。 {c
$8?6
*m&'6qsS
五. 问题1:一致性 qvh8~[
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| #x6wM~
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 |D;I>O^"R
: 9>U+)%
struct holder Oeg^%Y
{ W$D:mw7
// ZS&+<kGD
template < typename T > .q 4FGPWz
T & operator ()( const T & r) const (G>g0(;D-
{ j->5%y
return (T & )r; 2R3)/bz-SV
} -ebyW#
} ; j3?@p5E(
\$,;@H5I^
这样的话assignment也必须相应改动: PC,I"l
1NN#-U
template < typename Left, typename Right > &6\E'bBt
class assignment >T14
J'\
{ y]k{u\2A
Left l; ,}^;q58
Right r; *'@T+$3s
public : ? a*yK8S
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} N40DL_-
template < typename T2 > 9~r8$,e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ``h*A
} ; w/ID yQ
pe\]}&
同时,holder的operator=也需要改动: <5|:QLqy
>/-Bg:
template < typename T > ,F|49i.K
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const [GW;RjPE
{ A22'qgKm@
return assignment < holder, T > ( * this , t); x)kp*^/
} YO.+06X
sdQ"[`~2R
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。 *APTgXYR
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 SQG9m2
DL '{
rK
return l(rhs) = r; 7*Gg#XQ>(
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。 vri<R8
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ir;az{T#U
s<LYSr d
template < typename Tp > (=Lx9-u
class constant_t N/B-u)?\:
{ O
0P4uq
const Tp t; QIcc@PGT9a
public : V9D>Xh!0H
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} j;&su=p"
template < typename T > {k<mN
Y
const Tp & operator ()( const T & r) const >
a 8'MK
{ A9y3B^\*
return t; s";9G^:
} ?$H=n{iW
} ; J}VG4}L
yzL6oU-{&
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 u5P2*
下面就可以修改holder的operator=了 f5t/=/6>F
j@jUuYuDgl
template < typename T > 0SDyE
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const @ql S #(
{ gCI{g.[I!
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); h}GzQry1
} Up1e4mNL
H')8p;~{}
同时也要修改assignment的operator() I^gLiLUN*6
6PRP&|.#
template < typename T2 > gp]T.ol
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } &>Nw>V
现在代码看起来就很一致了。 |#O>DdKHT
1n>(CwLG"
六. 问题2:链式操作 ^r
9
现在让我们来看看如何处理链式操作。 3c[TPD_:
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 8]% e[
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 /V E|F Ts
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 89%#;C
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct p y%RR*4#
+)e+$
l
template < typename T > |il P>b
struct result_1 FWQNO(
{ /G!M\teeF
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 39Tlt~Psz
} ; B5/"2i
%_ Vj'z~T
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: 43BqNQ0
D'\gy$9m1
template < typename T > ]9$^=z%SE
struct ref Ou2p^:C(
{ 6fw2;$x"
typedef T & reference; Gxh1wqLR
} ; CdNb&Nyz
template < typename T > h5
PZ?Zd
struct ref < T &> o#=O5@>ai
{ U~Rs?JmTdD
typedef T & reference; bm-&H
} ; %v<BE
tq
kuo!}QFL
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Hus.Jfam
Pbl#ieZM
template < typename T > )&.Zxo;q=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const OCbwV7q:
{ }6 MoC0
return l(t) = r(t); wp>L}!
} \~I>@SG2W+
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。 zIbrw9G
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 h~u|v[@{J
vW`[CEm^X
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 +E
}q0GV
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: $3^Cp_p6
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 MW|:'D`
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 D Ax1
最后的布局是: |sPUb;&~
Add Yp;?Zq9
/ \ J42/S [Rt
Divide 5 Apc!!*7
/ \ . MH;u3U
_1 3 2 UPG8]
似乎一切都解决了?不。 \MB$ Cwc
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。 RZqou|ki
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。 6l&,!fd
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: (A\\s$fE/1
L_R(K89w
template < typename Right > Z6IWQo,)Rh
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ?dAy_|
zD
Right & rt) const EEj.Kch}4
{ sc$I,|d2
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )H[Pz.'ah0
} ?CE&F<?#@
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 @*-t.b2k
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。 CK(`]-q>,
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。 Jqz K5)
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。 P$*9Z@
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 WSOz^]
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? M^ jEp
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: -qdt$jIM
28LYGrB
template < class Action > B PG&R
class picker : public Action WM9z~z'2a
{ EM,=R
public : ZP9x3MHe
picker( const Action & act) : Action(act) {}
aS,
// all the operator overloaded 7,5Bur
} ; CRPE:7,D
<,,X\>B
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。 FPukV^
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: F $1f8U8
EjP9/VG@=
template < typename Right > l9f%?<2D
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const xt1\Sie
{ 5Tq*]ZE
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); I9*BTT]
} 3_ko=& B$
'C)
v?!19
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > DIx.a^LR
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。 J7+[+Y
- |4 Oq
template < typename T > struct picker_maker R$i-%3
{ e@7UL|12
typedef picker < constant_t < T > > result; du_~P"[
} ; N."x@mV
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > w/csLi.O
{ 2BV]@]qB
typedef picker < T > result; ry0YS\W
} ; qIvnPaYW
VE?Aa
下面总的结构就有了: $0|`h)&
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 )Bu#ln"
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ji.T7wn1u
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 5:(/k\9+yv
至此链式操作完美实现。 "<&) G{
6o4Y]C2W{1
BJKv9x1jK
七. 问题3 DGNn#DP
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 P~s u]+
D.gD4g_O/
template < typename T1, typename T2 > {%c&T S@s
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const -quJX;~
{ 2@Oz _?O=
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); slAR<8
} ]EdZ,`B4
B_
bZa
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Sg*+!
C=qL0
template < typename T1, typename T2 > ch33+~Nn
struct result_2 a9NIK/9
{ "EwzuM8f
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; f4$sH/ 2#v
} ; 6B+?X5-6DH
nWA>u J5
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? w@pJ49
这个差事就留给了holder自己。 /QT>"
P=l 7m*m
*P8CzF^>\&
template < int Order > X0]{8v%
class holder; v[V7$.%5Q
template <> v2k@yxt(
class holder < 1 > tXcZl!3x
{ s"R5'W\U
public : S_?sJwM
template < typename T > Po*!eD
struct result_1 & H8 %
{ 6sG5n7E-A
typedef T & result; &