一. 什么是Lambda '$Z)2fn7
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 \k5"&]I3
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, uZ8-?
~QSX 1w"
dC,C[7\
}E ]l4N2
class filler a/uo)']B
{ %Bw:6Y4LZ
public : 'IY?=#xr'`
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} \ Bj{.jL
} ; e1g3a1tnWl
/4O))}TX
fY^CIb$Y
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: M(L6PyEa!Y
LxIGPC~
3w)r"" C&
e".=E;o`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); S3M!"l
$B8Vg `+
^?RH<z
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ~ 1;M4K
p-IJ':W
.1TuHC\mC
W`PJflr|
二. 战前分析 Iuz_u2"C
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。 ~*bfS}F8I
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 ^"O>EY':
^R:&c;&,
7tWC<#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); O:#YLmbCN
/* --------------------------------------------- */ rJGh3%
vector < int *> vp( 10 ); pl%!AY'oE>
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); PS"rXaY
/* --------------------------------------------- */ ?o[h$7`o6
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); mt+i0PIfj
/* --------------------------------------------- */ e_e\Ie/pDc
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); .;g kV-]
/* --------------------------------------------- */ yZ{yzv'D&
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); s.p>
?U
/* --------------------------------------------- */ $ (;:4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); |'-aR@xJ
cW>=/
ef^GJTv&k
#I?Z,;DI=
看了之后,我们可以思考一些问题: Hy4;i^Ik <
1._1, _2是什么? [L X/O@
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。 ;&<N1
2._1 = 1是在做什么? la<.B^
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。 _^Q!cB'~/`
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。 S[ !6Lw
x?o#}:S
RAl/p9\A+
三. 动工 ?:3hp2k<
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: n4!RGq.}
.iy>N/u
!.,J;Qt
M>Q ZN
template < typename T > gdeM,A|
class assignment 5@+?{Cl
{ [hSJ)IZh
T value; keLeD1
public : d)1gpRp
assignment( const T & v) : value(v) {} AE>W$x8P
template < typename T2 > VIdKe&,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } msgR"T3'
} ; o3hgkoF
_!1LV[x!s
F}{%*EJ
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 (
jU $
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ymxA<bICS8
BW)-F (v
hhaiHi!$
]?+i6 [6U
class holder X PyDZk/m
{ Qu[QcB{ro-
public : m[xl)/e
template < typename T > ;+XrCy!.)L
assignment < T > operator = ( const T & t) const J@:Q(
{ B?i#m^S
return assignment < T > (t); KGM__Z O.
} N<i5X.X
} ; oaqH@`
m|W17LhW{
JWd[zJ[
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: mq[=,,#
0Qa0
static holder _1; &PE%tm
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Lq5xp<
60^j<O
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); )XN%pn
而不用手动写一个函数对象。 -B#1+rUW
U.,S.WP+d
=_ pSfKR;
E>s+"y
四. 问题分析 zQulPU
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。 GGEM&0*
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。 ,i6E L
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 pi"M*$
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 AMjr[!44 @
下面我们可以对这几个问题进行分析。 :W, S
PolJo?HZ
五. 问题1:一致性 W"Y)a|rG%
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?| ,:PMS8pS
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 @
&N
P6.PjK!Ar
struct holder ldUZ\z(*
{ v|(]u3=1_
// nQmHYOF%
template < typename T > 3`yO&upk
T & operator ()( const T & r) const kyAN O
{ xH\\#4/
return (T & )r; 0 YFXF
} r{v3XD/
} ; Fge%6hu
4&cQW)
这样的话assignment也必须相应改动: :rU.5(,
3S3(Gl
template < typename Left, typename Right > +"-l~`+<es
class assignment u!|_bI3
{ je^VJ&ac
Left l; syBpF:`-W
Right r; 1<'z)r4
public : D/Ki^E
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} /al56n
template < typename T2 > FTCIfW
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } <VhmtT%7
} ; THhxj)
Oq~{HJ{
同时,holder的operator=也需要改动: zN!W_2W*
QIMd`c
template < typename T > YCiG~y/~
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const T;(,9>Qsu
{ 76rv$z{g^
return assignment < holder, T > ( * this , t); ru 6`Z+p
} [<@T%yq
`15}jTi
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 +8zACs{p
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 U\lbh;9G
E2r5Pg
return l(rhs) = r; }d}gb`Du
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 QD,m`7(
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: k_]'?f7Z
=h4uN,
template < typename Tp > ;)FvTm'"\.
class constant_t uSR%6=$
{ bs|gQZG
const Tp t; Eh8GqFEM
public : DQY1oM)D!
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} uuEvH<1
template < typename T > *d C| X
const Tp & operator ()( const T & r) const 5
NYS@76o7
{ 5Jo'h]
return t; n~6$CQ5dF(
} u!D?^:u=)
} ; a?+C]u?_D
;>Z+b#C[
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Xw9]WJc
下面就可以修改holder的operator=了 ]2m=lt1
LmJjO:W}^y
template < typename T > ~$6` e:n
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const \(Rj2
{ d~QKZ&jf
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); acS~%^"<_
} sC\?{B0r
tZ[9qms^_
同时也要修改assignment的operator() d[l8qaD
B bmw[Qf\
template < typename T2 > (9]1p;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } $O\m~r4
现在代码看起来就很一致了。 ThX3@o
#9TL5-1y
六. 问题2:链式操作 Se!w(Y&
现在让我们来看看如何处理链式操作。 J'WzEgCnU
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 }}k%.Qb
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 x~}&t+FK
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 #WG}"[ ,c
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct cZN<}n+q
]zj#X\
template < typename T > 17'd~-lE
struct result_1 t8RtJ2;
{ S Yi !%
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; X$;x2mz nM
} ; ]Y]]X[@
!QVhP+l'H
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: ).jQ+XE'>
!:\0}w$-
template < typename T > Vyi.:lL _8
struct ref w%`S>+kX&
{ spP[S"gI
typedef T & reference; &V+_b$
} ; $&.(7F^D
template < typename T > ,$t1LV;o=
struct ref < T &> g0B-<>E
{ tb?TPd-OY
typedef T & reference; .^A4w;jPU
} ; D,..gsg
^/?7hbr
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Q3i\`-kbb
R(0[bMr3Q
template < typename T > *P\lzM
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Zq33R`
{ ,1 H|{ <
return l(t) = r(t); fPTLPcPP
} TqN@l\
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。 v @M6D}
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 }~LGq.H
On
O_7'4 t
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 lPz`?Hn
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ]lKUpsQI
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 J;XO1}9
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ='.b/]! _
最后的布局是: 0
J"g"=
Add c[,Rhf
/ \ O D5qPovsd
Divide 5 zK~_e\m
/ \ *?Wz/OJ0
_1 3 ~h<T0Zc
似乎一切都解决了?不。 p/0dtnXa(
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。 sE]z.Po=
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。 N68]r3/K
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: V1Ft3Msq
5hEA/G
template < typename Right > ,^
,R .T
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const m~=VUhPd
Right & rt) const "PTEt{qn
{ SD~4CtlfI
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); =@O&$&
} ~b*|V
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 l-r$czY
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。 ,]JIp~=nsh
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。 4#W$5_Ny
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 L}Sb0 o.
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 )/!HI0TU
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? hyPS 6Y'1
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: (5`(H.(
A]QGaWK
template < class Action > D
dwFKc&
class picker : public Action *>aVU'
{ @ukL!AV?Y
public : -h|[8UG^b
picker( const Action & act) : Action(act) {} 0;1O;JRw
// all the operator overloaded g}6M+QNj
} ; |2TH[J_a
j."V>p8u$
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。 &N7q9t
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: Zd)LVc[
,*V%
template < typename Right > 4j+M<g
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ?gAwMP(>
{ =v|$dDz
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); +5O^{Ce6
} $pPc}M[h
6C"${}SF`
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > jN=
!Q&^i[
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。 {LKW%G7
GRj [2I7:
template < typename T > struct picker_maker ]n1#8T&<*z
{ 8:I-?z;S
typedef picker < constant_t < T > > result; o6x8jz
} ; &sn-;r
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > YJwI@E(l$
{ .j)DE}[q>
typedef picker < T > result; Ao\ OU}
} ; v8\_6}*I
(G{:O
下面总的结构就有了: @QpL*F
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。 { .i^&
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。 Rbgy?8#9
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 V@G|2ZI
至此链式操作完美实现。 UaXIrBc
ZZ}HgPZ
=mwAbh)[7n
七. 问题3 ] -C*d$z
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 dZkKAK:v
1'&HmBfcb
template < typename T1, typename T2 > B&!>& Rbx
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const #Wl9[W/4
{ ~r})&`5
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); y9i+EV
} Y!c7P,cZ+3
`}
'o2oZnG
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: %dd B$(
Xa'b@*o&
template < typename T1, typename T2 > &F0>V o
struct result_2 =`MQKh,
{ |gk"~D
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ~}D"8[ABj
} ; ?*q-u9s9
rV%;d[LB
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? MnY}U",
这个差事就留给了holder自己。 './qBJ
$Vs5d=B
~O/B
template < int Order > ? R[GSS1
class holder; }*P;kV
template <> ucLh|}jJ5
class holder < 1 > h=au`o&CG
{ bV)h\:oC
public : F&+_z&n