一. 什么是Lambda I`~ofq?r
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 p7\}X. L
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, ?/SI A9VK
) sh+cfTCb
JIGoF
~Lyy7B9
class filler 905%5\Y
{ NJVAvq2E.
public : RwG@C|sG
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} h{R>L s
} ; [|XMR=\>
?_!} lg
;Tn$c70
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ~ PO)>;
<Ag`pZ<s
N<e=!LV
'\&t3?;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Oc51|[
Wj
rhLm2q
uh][qMyLM
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ^RS?y8
g.&n
X/
%LH~Im=
Spnshv8
二. 战前分析 Nan@SuKY
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 %`kO\q_
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 7V^\fh5~
E&}@P0^
.5i\L OTd
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); rYp]RX>
/* --------------------------------------------- */
<|Pw*L$
vector < int *> vp( 10 ); 2hlb$N-hk
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); vp"b_x1-
/* --------------------------------------------- */ AB!P(
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); g3}K
/* --------------------------------------------- */ ?l6NQ;z
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ^9{mjy0Q
/* --------------------------------------------- */ ^F>C|FJ2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); yc#0c[ZQu
/* --------------------------------------------- */ lji&]^1
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); X0h`g)Bbf
th$?#4SbR
(iwZs:k-
baD`k?](
看了之后,我们可以思考一些问题: l(o#N'!j4
1._1, _2是什么? 7)2Co[t
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。 _I"T(2Au
2._1 = 1是在做什么? <6
LpsM}
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。 XIg GE)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。 0Y%u[i/
r34q9NFT5
)2Ru}
-H
三. 动工 N^ )\+*tf1
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: D*Cn!v$
#6'x-Z_
KA=cIm
X9J&OQ[W
template < typename T > cv .R`)l
class assignment 6AM-^S@
{ =B0#z]qu
T value; -HE@wda
public : ^
#6Ei9di
assignment( const T & v) : value(v) {} d".Xp4}f
template < typename T2 > gPo3jw o$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } |#y+iXTJ
} ; z'FpP
E{Tvjh+
_{eH"
,(
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 >uu]K
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment z A ~aiX
%\ifnIQ
o=&tT,z
8lI'[Y?3.
class holder H=_ Wio
{ p41TSALq
public : s.9)?<[
template < typename T > sQ4~oZZ
assignment < T > operator = ( const T & t) const {^Y0kvnd
{ 8Pkw'.r
return assignment < T > (t); $KmhG1*s
} #RJFJb/
} ; 4axc05
ceW,A`J
F2B9Q_>P
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: g RX`61
Ti{~
static holder _1; X\Y:9^5
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 zqDG#}3f^
STr&"9c
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); zKnHo:SV
而不用手动写一个函数对象。 %, U@ D4w
55mDLiA
l"C)Ia&/
m(B,a,g<
四. 问题分析 */T.]^
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 L\CufAN
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 myR}~Cj;q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 K&\3j-8^
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 =b{!p |
下面我们可以对这几个问题进行分析。 W=[..d
/C'dW
五. 问题1:一致性 e>OYJd0s
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| mYE 8]4
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 g9rsw7
Po~u-5
struct holder RPXkf71iM
{ q h+c}"4m
// gz,x6mnQ
template < typename T > ~> xVhd
T & operator ()( const T & r) const =:4vRq
[
{ jkN-(v(T
return (T & )r; +Kw&XRAd
} kVH^(Pi
} ; r"%uP[H
UP8=V>T02
这样的话assignment也必须相应改动: 5D~>Ed;
|t1ij'N
template < typename Left, typename Right > r8k.I4
class assignment qv+8wJ((
{ Q#,j,h
Left l; "#3p=}]
Right r; Tej&1'G
public : ^2|G0d@.:
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 0cpI2
template < typename T2 > ranlbxp2l
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } GC<zL}
} ; FtEmSKD
7jf%-X
同时,holder的operator=也需要改动: DKvNQ:fI>9
6G6B!x
template < typename T > f19~B[a
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const b{Qg$ZJeR
{ No'^]r
return assignment < holder, T > ( * this , t); aS7%x>.A!
} x+X^K_*
Y!+q3`-%T
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。 q%RPAe
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 E&RiEhuv
0Xke26ga
return l(rhs) = r; T VuDK
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。 " %,KZI
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: K<3$>/|
+RuPfw{z
template < typename Tp > y5v}EX`m&
class constant_t MgP6ki1z
{ nVK`H@5fw
const Tp t; t!u{sr{j=
public : nJ ZQRRa:C
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ?eU=xO
template < typename T > gmU0/z3&
const Tp & operator ()( const T & r) const Gp PlO]
{ ]h`<E~
return t; k *#fN(_
} z1WF@Ej
} ; Hf
]w
{|jrYU.k~
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 DM73
Nn^5
下面就可以修改holder的operator=了 Z6`oGFq
n*HRGJ
template < typename T > .QaHE`e{
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const gk*Md+
{ 6?CBa]QG
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); =LsW\.T6
} 9AbSt&#
M[Kk43;QY!
同时也要修改assignment的operator() $;ssW"7~Qn
?
7H'#l
template < typename T2 > v)TFpV6b{p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } EZz`pE
现在代码看起来就很一致了。 }EW@/; kC
M<
T[%)v
六. 问题2:链式操作 rLy<3
现在让我们来看看如何处理链式操作。 7n_'2qY
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ZgXn8O[a
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 YTtuR`
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 syseYt]
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Yy_o*Ozq
z@_9.n]
template < typename T > *>ilT5q
struct result_1
?]d[K>bv
{ @t;WdbxB%
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; xz#.3|_('
} ; +Yuy%VT
/j{`hi
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 9Xr @ll
K)h\X~s
template < typename T > :*{>=BD
struct ref o`!7~n
{ \w]c<gM K
typedef T & reference; 1 o;*`
} ; c04"d"$ x
template < typename T > .hD2g"
struct ref < T &> \mBH6GS
{ 0>E0}AvkT
typedef T & reference; 0Q]p#;
} ; %?4G^f
rRfPq
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: !*U#,qY
>-~2:d\M3
template < typename T > 0B4&!J
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const q$;'Fy%oy
{ CkJU5D
return l(t) = r(t); %o~w
} 2WA =U]
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。 mNvK|bTUT
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 s 4Mi9h_
05|,-S
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 wc-ll&0Z
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: qlUw;{;p
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 7jb{E+DrG
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &I[ITp6y0
最后的布局是: I3 %P_oW'
Add owA0I'|V-A
/ \ {GaQV-t
Divide 5 $rZ:$d.C
/ \ 4zF|}aiQ
_1 3 Wgh4DhAW
似乎一切都解决了?不。 lZ3o3"
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。 <z>K{:+>
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。 )6S;w7
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: `VT0wAe2;
!`BK%m\8
template < typename Right > ~N i#xa
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const K|H&x"t
Right & rt) const Z UvA`
{ m-SP #?3
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); "hRY+{m
} [N|/d#
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 I82?sQ7
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。 "4{_amgm&<
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。 A~vZ}?*M
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。 LE15y>
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。 xLE+"6;W
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? U`j[Ni}"
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: cU y,q]PO
[_3Rhp:
template < class Action > >!j= {hK
class picker : public Action W~1/vJ.*l
{ m_%1IJ
public : n0X_m@
picker( const Action & act) : Action(act) {} s[yIvlHw`
// all the operator overloaded u@`)u#
} ; cx]O#b6B.
ZKGS?z
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。 $z7[RLu0!
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 9`8\<a'rU
+[ _)i9a
template < typename Right > 8F$b/Z
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const q\q V~G`
{ #\+TKK
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ASuxty
} I#Q
Tmg.
7]_lSYwrb
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > K>k MKd1
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。 7'[C+/:
4>4*4!KR}
template < typename T > struct picker_maker lu^c^p;
{ (D'Z4Y
typedef picker < constant_t < T > > result; wz*QB6QtU
} ; 2a;vLc4
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > +$ )C KC
{ B|IQ/g?
typedef picker < T > result; e75k-
} ; (89NK]2x
o7feH 6Sh
下面总的结构就有了: (}Ql#q
K
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。 #vy:aq<bjE
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。 "y>\
mC
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 5Wj+ey^^w
至此链式操作完美实现。 ]MkZ1~f7
'676\2.
%Fc,$ =
七. 问题3 hFw\uETu
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。 _nR8L`l*z
TEZ^Ia
template < typename T1, typename T2 > o~
.[sn5l-
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const W{Cc wq
{ QdKxuG
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); k]<
} V1KWi^
NF1e>O:a<
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: =2#a@D6Bl
i0uBb%GMT
template < typename T1, typename T2 > u93=>S
struct result_2 TB] %?L:
{ lrjlkgSN
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ,P^pDrc
} ; Z*d8b
#&.&Uu$
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? d:0RDK-}s
这个差事就留给了holder自己。 AElx #`T
[L1pDICoy
>n@?F[ Y
template < int Order > oK h#th
class holder; %T*lcg
template <> T0W B
class holder < 1 > |U?5%
L
{ yhe$A<Rl=
public : .~V0>r~my
template < typename T > :X[(ymWNE
struct result_1 -
Z "w
{ FxSBxz<N-A
typedef T & result; =:aH2T*
} ; eL9RrSXz
template < typename T1, typename T2 > E|D~:M%~
struct result_2 *=L3bBu?
{ E%\i NU!
typedef T1 & result; 0SV#M6`GX
} ; t=iSMe
template < typename T > 9+.0ZP?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const B^Q\l!r
{ zIWw055W
return (T & )r; SsDz>PP
} RqW
ZhHI1M
template < typename T1, typename T2 > Q7$ILW-S
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const N<+
><>9
{ %4U;Rdq&Ud
return (T1 & )r1; vm)&