一. 什么是Lambda `%Fp'`ZM$8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 {($bzT7c
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, (m3hD)!+y
]+:yfDtZd
4.,EKw3
:-{"9cgFR
class filler CmB_g?K
{ O_;BZzT
public : *}vvS^ c0
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} o"JHB
} ; 65aYH4"
UIEvwQ
c~U0&V_`j
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: GQt5GOt
0$|VkMq(
"-f]d~P>
k^}[+IFJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); pwN2Nzski
Yh95W
'bx}[
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 <PSz`)SN
Lc~m`=B
x/<ow4C
mW{;$@PLF"
二. 战前分析 N[
=I
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。 JA4Zg*7I
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 k^oSG1F
8sj2@d
a[hF2/*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); w9Yx2
/* --------------------------------------------- */ k*A(7qQA`4
vector < int *> vp( 10 ); (GRW(Zd4
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); [j@ek
/* --------------------------------------------- */ 1te^dh:Vp
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ~ n<|f
/* --------------------------------------------- */ _-f LD
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); hp)>Nzdx
/* --------------------------------------------- */ }#1. $a
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); CRo'r/G
/* --------------------------------------------- */ -`4]u!A
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ZJ{DW4#t
SGl|{+(A
U)kyq
mH,s!6j?Vp
看了之后,我们可以思考一些问题: 4>(K~v5;N
1._1, _2是什么? Mg\588cI
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 # m|el@)
2._1 = 1是在做什么? 9,fV
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 Mzg'$]N
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。 MNs<yQ9I'
ai;!Q%B#Q
l]|&j`'O
三. 动工 bpsyO>lx/
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: G5qsnTxUJ
Lx-%y'P
8nI~iN?"
[g}^{ $`
template < typename T > .g/!u(iy
class assignment VQ!4(
<XD
{ +_:p8,
5o
T value; r5&c!b \
public : ScJ:F-@>
assignment( const T & v) : value(v) {} xd3mAf
template < typename T2 > cPIyD?c
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } L^e*_q2d:>
} ; 2>"{El|PbN
HV!P]82Pa
.:H'9QJg
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %;4#?.W8
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment _3
[E$Lg
wSjy31
ZS:[ZehF
UP-2{zb |?
class holder 9>+>s ?IgK
{ nxN("$'cq
public : pjO
template < typename T > 5 n 4/}s
assignment < T > operator = ( const T & t) const 07^.Z[(pCt
{ M(8xwo-W
return assignment < T > (t); 4`~OxL
} gs2qLb
} ; R@WW@ Of
/,7#%D
*Iw19o-I
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Q\X_JZ
blz#M #
static holder _1; &h[)nD
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Jur$O,u40l
0D:uM$
i]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @uC-dXA"
而不用手动写一个函数对象。 3znhpHO)
M/V"Ke"N
F-Z>WC{+
Q9y|1Wg1W
四. 问题分析 *QW.#y>"j
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。 dY?l
oFz
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。 /_fZ2$/
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 h<m>S,@g
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 :%Z)u:~':
下面我们可以对这几个问题进行分析。 9F,XjPK=
yMNOjs'c {
五. 问题1:一致性 j+<!4 0#
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 1slt[&4N
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Y\!:/h]E&
"~C\Z} ;
struct holder |RpZr!3V
{ ^umHuAAE
// Ahd{f!
template < typename T > M]\"]H?
T & operator ()( const T & r) const oQyMs> g
{ T5~Qfl?Y
return (T & )r; 5NSXSR9c
} ziW[qH {
} ; KJ?/]oLr0
EI9Yv>7 d{
这样的话assignment也必须相应改动: \l6mXIn=>
~$a%& ]\
template < typename Left, typename Right > K6<1&
class assignment w*SF Q_6YE
{ #l2WRw_t
Left l; bv[*jr;45
Right r; ,v| vgt
public : [-[|4|CnOm
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} /7*qa G
template < typename T2 > lSId<v?C>
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } x^F2Ywp%
} ; '.&,.E&{$
y(#F&^|
同时,holder的operator=也需要改动: hYCyc-W
GLl@
6S>v
template < typename T > ZG)C#I1;O
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Jf2:[Mq
{ \No22Je6d
return assignment < holder, T > ( * this , t); a7NX~9g
} K3UG6S\B
Q!%CU8!`&
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。 I(WND/&
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 $PbN=@
I|[aa$G
return l(rhs) = r; ?yz}
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。 xcIZ'V
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: nuv$B >
28+Sz>SP
template < typename Tp > Z@i MG
class constant_t %@M/)"k
{ fs]Zw mA^
const Tp t; h$zPQ""8
public :
K[TMTn
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} &9] [~$
template < typename T > Tf[-8H<
const Tp & operator ()( const T & r) const M/sqOhg
{ El&pux2
return t; a( {`<F
} &<i>)Ss
} ; U7fE6&g
l 0b=;^6
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 >|I3h5\M
下面就可以修改holder的operator=了 N<Q}4%^c
4_I,wG@
template < typename T > &(^>}&XS.<
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const "Lpt@g[HF
{ ZCJ8I
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); IO_H%/v"jC
} 7erao-
<ct {D|mm
同时也要修改assignment的operator() U14dQ=~b/
Z*e7W O.
template < typename T2 > 1@qb.9wZ6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 7iJk0L$]x
现在代码看起来就很一致了。 .r*b+rc;]
iii$)4V
六. 问题2:链式操作 M[*:=C)H
现在让我们来看看如何处理链式操作。 s9GPDfZ
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。 TAC\2*bWje
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。 LP)mp cQ
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。 ptq{$Y{_
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct {}^ELw
UZX)1?U
template < typename T > >qUO_>
struct result_1 8"*$e
I5
{ >%3c 1
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; |~CnELF)
} ; ng<`2XgU
+m7x>ie)
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: 6$dm-BI
$-AvH(@
template < typename T > >`\*{]
struct ref OB^2NL~Q~
{ =,]J"n8|v
typedef T & reference; h5l
Lb+
} ; 1W!n"3#
template < typename T > 0De M
struct ref < T &> mVL,J=2
{ < 5_Ys
typedef T & reference; 9FLn7Y
} ; gX _BJ6
J+|ohA
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: f8^58]wx0
@>:07]Dxo
template < typename T > imhq*f#A[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const
c _a$g
{ R39R$\
return l(t) = r(t); i
}gxq
} t5Mo'*j
=
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 d$,i?d,
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 -pGt;
*(MvNN*
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 *_wef/==
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Q%xY/xH]
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 )|a9Z~#x
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 9c7}-Go
最后的布局是: O]g+z$2o
Add #rr-4$w+
/ \ `pMI[pLZe
Divide 5 2*L/c-
/ \ fBOPd=
_1 3 ge oN4
似乎一切都解决了?不。 6qJB"_.
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。 |YFD|
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。 bX(*f>G'
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: ~+C#c,Nw
uRy6~'
template < typename Right > |)-:w?
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const UQcmHZ+lf
Right & rt) const V6{xX0'b*m
{ =|%T E
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); W7o/
} {|E7N"Qzg
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ,h._iO)I^
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。 p,8Z{mLn
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。 bN&da
[K
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。 r?I(me,
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。 nu<!/O
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? tp^'W7E
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: _D4}[`
zNf5OItx
template < class Action > UIj/Id
class picker : public Action dZgfls
{ NLGr=*dq
public : ^e,RM_.
picker( const Action & act) : Action(act) {} i?/?{p$#a-
// all the operator overloaded $bosGG
} ; A%2}?Ds
m_ m@>}ud
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。 [;AcV73
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: }AqD0Qd2Hj
Y7)@(7G)\
template < typename Right > _[o^23Hj
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Ig KAD#2a
{ h,'+w
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @EZONKT
} l5ds`uR#
}z+"3A|
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > [1^wy#
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。 yo,!u\^x
r&sOM_BUF
template < typename T > struct picker_maker p&mtKLv
{ G9inNz*Cx
typedef picker < constant_t < T > > result; np^<HfYV
} ; p'k+0=
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 7~nCK
{ E0]h|/A]
typedef picker < T > result; 34kd|!e,
} ; SYPMoE!U:
l|em E
^
下面总的结构就有了: \q'fB?bS^
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。 )N6[rw<