一. 什么是Lambda znB+RiV8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 -^)<FY\
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, <5E)6c_W)
:>}7^1I
@SH[<c
XuWX@cK
class filler .]H/u
"d
{ ]4ck)zlv
public : x<`^4|<
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} lVuBo&
} ; 7+88o:G9
{Q>4zepN!
>k
==7#P
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: cTz@ga;!mI
^W(ue]j}o
%K+hG=3O
CIui9XNU
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); LGw-cX #
H<}|n1w<
?H!jKX
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Nd]RbX
)Z/$;7]#
y #C9@C
H,W8JNPs
二. 战前分析 zB`J+r;LU
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。 ^rs{1S
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 OLtXk
mU(v9Jpf7
rizjH+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); MQDLC7Y.p5
/* --------------------------------------------- */ |)xWQ KzA
vector < int *> vp( 10 ); E2 FnC}#W
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); $vK,Gugcx
/* --------------------------------------------- */ 7IFZK\V
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); wpp!H<')
/* --------------------------------------------- */ \03<dUA6
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); }Ml BmD
/* --------------------------------------------- */ E=8GSl/Jx
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); %y\5L#T!>
/* --------------------------------------------- */ [MQ* =*
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); AFM+`{Cq
"uP*pR^
!VaC=I^{
!4!qHJISa
看了之后,我们可以思考一些问题: mZXtHFMu
1._1, _2是什么? 1ni72iz\
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。 ur E7ZKdI
2._1 = 1是在做什么? n&o"RE 0~0
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。 t*; KxQ+'?
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。 am!ssF5s
:Tv>)N
daP_Kz/2K
三. 动工 7x77s
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: P3YM4&6XA
S>b
3_D
|QF_E4ISD
Z"'*A\r2
template < typename T > }A]eC
class assignment #>HY+ ;
{ ~ o2Z5,H
T value; *iY:R
public : WVsj
assignment( const T & v) : value(v) {} =L@CZ"
template < typename T2 > j!kJ@l bP
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } {qlcTc
} ; }ng?Ar[
b%*`}B
wx`.
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9D &vxKE
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment *59|
*/JYP +
l*]hUP J
_;0RW
class holder CS(XN>N
{ +}1zw<
public : mI{Fs|9h
template < typename T > M%la@2SK=
assignment < T > operator = ( const T & t) const l53Q"ajG
{ Ywv\9KL
return assignment < T > (t); $j(d`@.DN~
} hr&&b3W3p
} ; DA iS|x
<,0/BMz
v&(=^A\eN
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: q9p31b3
TBrwir
static holder _1; D
vvi)/<
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 u{va2n/
q]C_idK=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8X.=
6M
而不用手动写一个函数对象。 po'b((q
?%su?L
16]Ay&Kn!
ra6\+M~}e
四. 问题分析 /;w(sU
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 N$#~&
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。 PYWFz
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 2HSFMgy
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 i$p2am8f
下面我们可以对这几个问题进行分析。 -
AgD
k!z<=WA
五. 问题1:一致性 ]Jm\k'u[
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| u=qaz7E
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 9d^m 7}2
J=78p#XUg
struct holder )eT>[['fm
{ tY]?2u%)
// szhSI
template < typename T > DZ\ '7%c
T & operator ()( const T & r) const 2L;=wP2?{
{ E9>z.vV
return (T & )r; L fcy#3!
} IDJ2epW*;
} ; G1w$lc
0{%@"Fb0O
这样的话assignment也必须相应改动: QW,:'\G
ME0u|_dPjz
template < typename Left, typename Right > T[xIn+w
class assignment @VW1^{.do^
{ 52j3[in
Left l; vV$t`PEY
Right r; LQr!0p.i"
public : ilVi
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} CJCxL\
template < typename T2 > `JDZR:bMaT
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ZiQ<SSo:
} ; %Vltc4QU
<QFayZ$
同时,holder的operator=也需要改动: +>1?ck
YLTg(*
template < typename T > T%&vq6
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const H"^9g3U
{ 6,jCO@!
return assignment < holder, T > ( * this , t); (B$>o.(JA
} gJuK% P
?B;7J7 T
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Q|{b8K
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ;92xSe"Ww
fap]`P~#L
return l(rhs) = r; IAGY-+8e
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 F)X`CG ;t
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类:
Hcg7u7M{
g.di3GGi
template < typename Tp > <yX u!
class constant_t wMN{ 9Ce3j
{ zI,Qc60B
const Tp t; Y DHP-0?
public : O9d"Z$~n=j
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} #k)z5vZ$h
template < typename T > SPdEO3
const Tp & operator ()( const T & r) const hp/pm6
{ ogQfzk
return t; vX6JjE!
} &PL=nI\)
} ; Rh)XYCM
+%,oq]<[,
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ;A@DE@^5w
下面就可以修改holder的operator=了 F.aG7
M_UmnqN1C
template < typename T > "5k6FV
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const `Rfe*oAf
{ 5NN;Fw+
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); (!5Pl`:j"
} \/j,
C{^I}p
同时也要修改assignment的operator() R!"|~OO
LXxQI(RO
template < typename T2 > p&Qm[!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } `5h^!="
现在代码看起来就很一致了。 HH7WMYoKY
q'+ARW48
六. 问题2:链式操作 T-STM"~%
现在让我们来看看如何处理链式操作。 DMsqTB`
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。 7bO>[RQB
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。 gI2'[OU
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。 _<mY|
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ?t6wozib2
{*hvzS{1d
template < typename T > tF-l=ph}`
struct result_1 A'~mJO/
{ [o(!/38"@=
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 4XVwi<)
} ; 9#hp]0S6
|y0k}ed
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: tw<Oy^i
fUY05OMZ
template < typename T > /%,aX[
struct ref VK*`&D<P
{ ke;=Vg|
typedef T & reference; c;"e&tW
} ; KFO
K%vbM
template < typename T > <Fx%P:d
struct ref < T &> CEw%_U@8
{ [QQM/ ?
typedef T & reference; _oG%bNM
} ; hg0{x/Dgny
x`C"Z7t
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: _6h.<BR
{ ?jXPf
template < typename T > ]R}(CaT1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const yl@Nyu
{ KGc.YUoE
return l(t) = r(t); J
%A=
} ]9w8[T:O
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。 %{ rb,6
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 zGz}.-F
5RWqHPw+
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 cH5
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: fB7Jx6
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Uvc$&j^k
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 t}Td$K7
最后的布局是: z?Z"*z
Add d(^HO~p
/ \ `<v$+mG
Divide 5 Z}vDP^rf
/ \
Pvt!G
_1 3 W*_c*
似乎一切都解决了?不。 <N~9=g3
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 j[\:#/J
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 D bi ^%
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 7R79[:uwJ
B?^~1Ua9Zv
template < typename Right > J;wBS w%1
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Q=DMfJ"
Right & rt) const P=<lY},
{ rf@47H
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); jLMy27Cn
} t&w.Wc X)
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 m(9I+`
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 D{\o*\TN
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 |X XO0
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 2-Q5l*
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 zd$?2y8
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? Hu6Qr
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: WH39=)D%u
i
g7|kl
template < class Action > E`qX|n
class picker : public Action
jwLZC
{ d(RMD
public : 9a]o?>`E
picker( const Action & act) : Action(act) {} ,aS+RJNM
// all the operator overloaded 1c]{rO=taN
} ; [$d]U.
d&|5Rk
~
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 4 Cd5-I
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 7_j t =sr
n=~!x
template < typename Right > <{;'0> ToM
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const @oH\r-jsgu
{ .XeZjoJ$z
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); &3"ODAp'
} 7\yh(+ kN
Wvu1?
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > \zk>cQ
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。
F{Yr8(UHA
9-_Lc<
template < typename T > struct picker_maker q&?hwX
Z7
{ AsuugcN*
typedef picker < constant_t < T > > result; z(.,BB[
} ; + 0*\q
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > I!9>"s12
{ r|u R!=*|?
typedef picker < T > result; N>a~k}pPH
} ; K+ M\E[1W
N\. g+ W
下面总的结构就有了: "'Gq4<&y
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。 @Z#h?:
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。 H$^9#{
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 SD%3B!cpX
至此链式操作完美实现。 8;<aco/62
q\jq9)
e2V;6N
七. 问题3 ft@#[Bkx
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。 GoX<d{
<1lB[:@%U
template < typename T1, typename T2 > 37?X@@Z=
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const >f^kp8`3{Y
{ Hl(W'>*oL
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); *w^!\
} reYIF*
hMS:t(N{
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: iI'ib-d
?G!p4u?C
template < typename T1, typename T2 > #pW!(tfN^a
struct result_2 ~~"U[G1
{ l'2vo=IQ
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; FGc#_4SiL
} ; `S?_=JIX
ZR)M<