一. 什么是Lambda ?,FL"ye
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 eLk:">kj
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, 8PvO_Gz5
~}s0~j ~
UUxP4
zWf(zxGAz
class filler }xytV5a^
{
fG|+!
public : Xb7G!Hk#g
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} YtY.,H;
} ; }r:8w*47
UymhBh
+fG~m:E
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: T$s )aM
/{nZI_v#
+c\uBrlZQ;
2Q[q)u
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); r%^XOw<'
8rSu,&<
%YI !{
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 n_-k <3
cb9@
0^-
MpLn)
Tg6nb7@P
二. 战前分析 wm/>_
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 -/J2;AkGH
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ~,reS:9RZ
R|dSjE s
tq5o
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); X e\,:~
/* --------------------------------------------- */ WvHy}1W
vector < int *> vp( 10 ); (r$QQO)/
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); p0j-$*F
/* --------------------------------------------- */ 7'TXR[
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); k{pn~)xg
/* --------------------------------------------- */ B~/ejC!
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ? p^ ':@=
/* --------------------------------------------- */ N;XJMk_ H
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); BZ@v8y _TA
/* --------------------------------------------- */ &6@e9ff0
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); /BfCh(B
Pna2IB+
SLI358]$<
ekO*(vQ~
看了之后,我们可以思考一些问题: _JXb|FIp
1._1, _2是什么? LQ=Fck~[r
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。 J|[`8 *8
2._1 = 1是在做什么? "Yf?33UNZ
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。 ' $X}' u
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。 ^tKJ}}
*saO~.-;4
"Kt[jV;6
三. 动工 &|)
(lX
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: MA5BTq<&
]e]l08
6d|%8.q1
n{r_Xa
template < typename T > ppo\cy;
class assignment &fWYQ'\>
{ {"w4+m~+te
T value; J0"<}"
public : bLi>jE.%.
assignment( const T & v) : value(v) {} /-jk_8@a
template < typename T2 > 5T;,wQ<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 7U {g'<
} ; ce P1mO
Z]Iyj
97
#3act)m
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 JK9}Kb};
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment H&zhYKw
DV!) n 6
1u0NG)*f
h*-j
class holder &MsBcP[
{ jNA^
(|:
public : )q+9_KUq
template < typename T > <xeo9'k6&
assignment < T > operator = ( const T & t) const N/fH% AtM
{ )#l,RJ(
return assignment < T > (t); sj?7}(s
} ~
-hH#5
} ; |%~sU,Y\(
mMEa*9P
Z[{ :
`
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: "m:4e`_dz
h .Iscr^~
static holder _1; X%b.]A
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 xPi/nWl`|
/n SmGAO
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); X4R+Frt8
而不用手动写一个函数对象。 cSSrMYX2
Ih.6"ISK}
C,xM)V^a
Jh'\ nDz@e
四. 问题分析 z@0*QZ.y1
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。 $}/ !mXI5
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 058+_xX
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ^^I3%6UY
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 zU9G:jH
下面我们可以对这几个问题进行分析。 i>C:C>~
~agzp`!M
五. 问题1:一致性 yw%5W=<
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ui:
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Z;{3RWV
j:9kJq>mv
struct holder /i]!=~\qFs
{ YolO-5
// w-%H\+J
template < typename T > I9`R LSn
T & operator ()( const T & r) const btK| U
{ Uk02VuS
return (T & )r; "3*Chc
} K`nI$l7hg
} ; 3 G?^/nB
$GyO+xF
这样的话assignment也必须相应改动: oOhm`7iy
lMX 2O2 o
template < typename Left, typename Right > ~O)Uz|
class assignment \:8 eN}B
{ e'oM%G[
Left l; d]OoJK9&&
Right r; yWACIaj
public : .-;K$'YG
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 4'W| '4'b
template < typename T2 > Hut
au^l
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } U
n#7@8,
} ; oQC* d}_E}
?=]`X=g6
同时,holder的operator=也需要改动: .#uRJo%8
FX"%
template < typename T > }ZEh^zdz8
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const *hAeA+:
{ 6u3DxFiTm
return assignment < holder, T > ( * this , t); {}?s0U$5
} >eg&i(C+
C+Wb_
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ei;wT
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 aW7{T6.,
sB_o
HUMH6
return l(rhs) = r; N:!XtYA<
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 +(5 H$O{h
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: jMUE&/k
4:8#&eF
template < typename Tp > xDu11W+g
class constant_t .
({aPtSt!
{ EH"iK2n\9
const Tp t; (|Am
public : {nT !|S)$
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} l/yLSGjM
template < typename T > :tM|$TZ
const Tp & operator ()( const T & r) const S(5.y%"<
{ 6rL'hB!!]*
return t; 2](R}
} #6_?7 (X
} ; qt}vM*0}V
#$%9XD3
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ?rWqFM:hb
下面就可以修改holder的operator=了 ;)[RG\
RMDs~
template < typename T > 3=)/-l
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const BnqAv xX
{ 1j6ZSE/*|
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); (`4^|_gw
} TQ" [2cY
JiP]FJ;
同时也要修改assignment的operator() m~r^@D
#O^H?3Q3
template < typename T2 > N7%Jy?-+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } h|dVVCsN
现在代码看起来就很一致了。 8nQlmWpJ
5?k_Q"~
六. 问题2:链式操作 @\Sa)
现在让我们来看看如何处理链式操作。 4XQ 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。 b#P,
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。 OCo=h|qBp
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。 p{!aRB%
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct J @"wJEF
v*QobI
template < typename T > P$.Azrl
struct result_1 l},*^Sn<5
{ BkA>':bUr
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; kX\t0'=]
} ; aC X](sN
6YrkS;_HS
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: }@4m@_gR?
Pp:(PoH
template < typename T > t3 *2Z u
struct ref >AV-i$4eQ@
{ =bZ>>-<
typedef T & reference; !zvKl;yT
} ; DM! vB+j+,
template < typename T > HvK<>9
struct ref < T &> sBu=@8R]y
{ f'aUo|^?
typedef T & reference; DuZ51[3_L
} ; +=|Q'V
G#)>D$Ck#
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: B~lrd#qC
Q)C#)|S
template < typename T > 9X@y*;w<t
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 2z:4\Y5
{ #_QvnQ?I
return l(t) = r(t); }a"T7y23
} G#Nh)ff
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。 *@dRL3c^=
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 4B<D.i ;}
=YB3^Z
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 JnmJN1@I
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: t\CVL?e`
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 I&YYw8&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 b@Ik
c<
最后的布局是: R5r )01
Add E%3WJ%A
/ \ _wCp.[3?t
Divide 5 I(s\ Q[
/ \ D+LeZBJ
_1 3 E6NkuBQ((
似乎一切都解决了?不。 pxM^|?Hxc
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。 6*S|$lo9B
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 j S')!Wcu
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 3:YZC9
/.aZXC$]
template < typename Right > Ol~sCr
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const f&js,NU"
Right & rt) const ?c+_}ja,
{ n9050&_S
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Ii,e=RG>
} dum! AO
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 tUGnD<P
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。 Gz+Bk5#{
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。 AVOzx00U
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。 u<]-%ha$
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。 AGx]srl
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? @7"xDgA
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: cnnlEw/&
a,#f%#J\
template < class Action > =mn)].Wg
class picker : public Action ^a[7qX_B
{ w[uK3A v
public : (VO)
Q
picker( const Action & act) : Action(act) {} fS>W-
// all the operator overloaded {e/12q
} ; ipQJn_:2
d?oupW}uu
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。 V);{o>%.K
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: =IkQ;L&
(Vf&,b@U_
template < typename Right > %+L:Gm+^g#
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Tt`|26/
{ aG%KiJ7KEN
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); hvtg_w6K
} `ihlKFX
eZ[CqUJ&