一. 什么是Lambda GipiO5)1C
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 KF&8l/f
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, 9(fh+
\r aP
8T"L'{ggWB
G>pedE\
class filler (w-"1(
{ K cex%.
public : O=}w1]
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} D;JZ0."
} ; kQU4s)J
~
tR!hc}
_*}D@yy&
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: w5q6c%VZ
i$pUUK
X,3"4 SK
YAR$6&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); F$>#P7ph\a
>c@! EPS
u"5/QB{
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 J4]"@0 ?6
Hd4 ~v0eS
iOm&(2/
3T(ft^~
二. 战前分析 !_Y%+Rkp0
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。 &=t~_ Dc
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 ],AtR1k
At>e4t2@
}vZfp5Y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); G l/3*J
/* --------------------------------------------- */ 2G|}ENC
vector < int *> vp( 10 ); 2KXFXR
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); C=;}7g
/* --------------------------------------------- */ w*'DlP<7
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); gD%o0jt"
/* --------------------------------------------- */ 6&+dpr&c~=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ^Zs^
/* --------------------------------------------- */ 0F uj-q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); dw#pObH|`
/* --------------------------------------------- */ HziQ%QR
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); YeJTB}
`!N.1RP _
Wv5=$y
Y<^Or
看了之后,我们可以思考一些问题: Up-^km
1._1, _2是什么? VB^1wm
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 L?N:4/0;!
2._1 = 1是在做什么? CWZv/>,%
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 Z3zD4-p$_
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。 LP7jCt
6k')12~'
w)go79
三. 动工 q8_E_s-U,
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: @ #J2t#
V#599-
^Gbcs
l~Gj
9XUYy2{G
template < typename T > XwIHIG}
class assignment rU>l(O'b
{ _ y'g11 \
T value; E0i!|H
public : 5:+x7Ed
assignment( const T & v) : value(v) {} g:^Hex?Yfd
template < typename T2 > &iuMB0rbu
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Yk{4 3yw
} ; c ~M'O26bW
r"L:Mu
ER`;0#3[9u
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 H(?+-72KX
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment (eT9N_W
5!i\S[:
=f=>buD
4D.h~X4
class holder ,~=+]9t
{ ZdhA:}~^E
public : QeQwmI
template < typename T > 4,`t9f^:
assignment < T > operator = ( const T & t) const j0cB#M44
{ +IGSOWL
return assignment < T > (t); CW@EQ3y0
} ;[C_ho
} ; yqb$,$
aB&a#^5CI
gW G>}M@
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: N+UBXhh
oj6=.
static holder _1; )CH\]>-FO
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 7CU<R9Kl
6C_H0a/h&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); d^Cv9%X
而不用手动写一个函数对象。 &x.5TDB>%
o
-x=/b
^6UE/4x!y
pmUC4=&e
四. 问题分析 &)Vuh=
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。 T~lHm
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。 %
y` tDR
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 #cl|5jm+m#
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 IjPtJwW`A
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Y,KSr|vG
q\s>Oe6$
五. 问题1:一致性 uq!d8{IMu
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?| 27JZwlzZ
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 i:R_g]
0;5qo~1
struct holder utdus:B#0
{ 0d,&)
// ,PWMl[X
template < typename T > 0VgsV;
T & operator ()( const T & r) const )P W Zc?M
{ |'k7 ;UW
return (T & )r; EzU=q
E
} ]D>\Z(b
} ; pr\OjpvD
78'3&,+si
这样的话assignment也必须相应改动: @oRo6Y<-
f2P2wt.$
template < typename Left, typename Right > n~yhX%=_Du
class assignment Gd2t^tc
{ b9l%5a
Left l; 8(@(G_skp
Right r; =6,w~|W
public : %&$s0=+
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} p^QppM94
template < typename T2 > M;X}v#l|XI
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } I!p[:.t7
} ; U7xQ 5lph
-
[vH4~
同时,holder的operator=也需要改动: F`f8q\Fc
rV/! VJ6x
template < typename T > }@A{'q5y
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const V*+Z=Y'
{ IDt7KJ@hc
return assignment < holder, T > ( * this , t); |/RZGC4
} u$V@akk
yMe;
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。
DUs0L\
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 *edhJUT
L8 $+%Gvo
return l(rhs) = r; JN<u4\e{-&
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 X./7b{Pax
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: &Y8S! W@4
Z2{G{]EV(
template < typename Tp > G4K3qD#+H
class constant_t WaDdZIz4
{ =(as{,j
const Tp t; D"s
]dQ$r
public : }C{wGK+o[
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} -]Q6Ril
template < typename T > Xa=oEG
const Tp & operator ()( const T & r) const I#:4H2H6
{ -*0U&]T
return t; |s[k= /~"
} UV)!zgP
} ; iy,jq5uw
j
!rQa^
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 tq8rG@-C
下面就可以修改holder的operator=了 2)R*d
0bI}
s`sr
template < typename T > !L55S03
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ty)~]!tA
{ sy+tLDMd
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); %1PNP<3r0
} :J;*]o:
\oV g(J&o
同时也要修改assignment的operator() CW;=q[+w
hT$/ B|
template < typename T2 > CoQ<Ky}*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } :)Z.!
现在代码看起来就很一致了。 b#{[Pk,w9
)p+6yH
六. 问题2:链式操作 \m3ca-Y
现在让我们来看看如何处理链式操作。 drf?7%v
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。 Z/[ww8b.
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。 ~g|z7o
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。 \~@a/J
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct {);<2]o| 6
~e<h2/Xc
template < typename T > }>~]q)]
struct result_1 : x@j)&
{ ZE0D=
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; V.kRV{43
} ; GMYfcZ/,K
i.6+CA
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: -|3feYb'
}E](NvCq
template < typename T > $]S*(K3U~
struct ref .0u@PcE:O
{ C:@JLZB
typedef T & reference; )_Wo6l)i
} ; uO}UvMW
template < typename T > J^<}fRw
struct ref < T &> {Z{!tR?+
{ ~jn~M_}K
typedef T & reference; u|D|pRM-LT
} ; ;*409P
$Z{Xt*
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 2<8JY4]!]
3YOYlb %j
template < typename T > s^Rig[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const L<MH:
{ A&/YnJ"
return l(t) = r(t); u:s[6T0
} ubQZTA x
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。 jxNnrIA
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Avn)%9
MWron_xg
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 z~O:w'(g
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: x72T5.
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 $@Kwsoh'
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 z)U/bjf
最后的布局是: Sk|DVV$
Add !JWZ}uM6
/ \ UbSAyf
Divide 5 Ym5ji$!2
/ \ cfA)Ui
_1 3 0L|D1_k[
似乎一切都解决了?不。 E\dJb}"x %
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 /#xx,?~xx0
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 S"G`j!m1
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: s\A4y "
LyWgaf#/d
template < typename Right > 2qxede
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const {m7>9{`
Right & rt) const "`&1"*
{ 9s@$P7N5B
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); .sR=Mf7 T
} N=@Nn)
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 97SOa.@
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。 z*B-`i.
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。 F>/"If#
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。 b'$fr6"O1
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。 p`2w\P3;)
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? >* >}d%
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: RDWUy(iX
|v31weD8
template < class Action > t1MK5B5jH
class picker : public Action N#zh$0!8bJ
{ TZYz`l+v
public : l0-zu6iw
picker( const Action & act) : Action(act) {} mel(C1b"j/
// all the operator overloaded t2 0Es
} ; $K}Y
-N~eb^3[c
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 3C7}V{?
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: J2d3&6
T.x"a$AU
template < typename Right > HHcWyu
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const oQ"J>`',
{ ~|5B
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); #<EMG|&(
} >0Gdxj]\
bL9vjD'}
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ;'~GuZ#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。 C.Ty\@U
m6
@,J?X
template < typename T > struct picker_maker (Ceq@eAlT
{ VYC$Q;Z
typedef picker < constant_t < T > > result; %kSpMj|
} ; ipdGAG
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > C|hD^m
{ L92vb zP
typedef picker < T > result; D3xyJ
} ; dD.;P=AP
"Q<
下面总的结构就有了: E\lel4ai
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。 lbUUf}
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。 nOj0"c
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 # )]L3H<
至此链式操作完美实现。 ;N;['xcx;
y $6~&X
nkii0YB!
七. 问题3 8^>qzaf
8
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 C^8n;i9
"yA=Tw
template < typename T1, typename T2 > I@jXW>$
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const oW\kJ>!
{ xR`M#d5"
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); R-lpsvDDL2
} |h(05Kbk
?&rt)/DV,
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: M'-Z"
V4>qR{5
template < typename T1, typename T2 > )o%sN'U,1
struct result_2 Lk>o`<*
{ DL]\dD
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; |';oIYs|$
} ; ?@YABl
S?K x:]
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? %.[jz,;)
这个差事就留给了holder自己。 |p\vH#6y+
O\&-3#e
pf[m"t6G~
template < int Order > S&Szc0-|k
class holder; u-%|ZSg
template <> !Un&OAy.!
class holder < 1 > rS&"UH?c7
{ `m7w%J.> n
public : |(77ao3
template < typename T > Iq["(!7E5
struct result_1 Ka+N5 T.f
{ [B+]F~}@
typedef T & result; Q$lgC
v^M
} ; ]**h`9MF
template < typename T1, typename T2 > ayK?\srw
struct result_2 q\]"}M8
{ !)-)*T
typedef T1 & result; g;mX {p_@
} ; >pRC$'Usx
template < typename T > f<;w1sM\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const -lqsFaW
{ c[<>e#s+;
return (T & )r; 8o%g2 P9.
} xixdv{M<FF
template < typename T1, typename T2 > &V7