一. 什么是Lambda })Ix.!p
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Z%(Df3~gmm
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, k|)^!BdO
[j]}$fFe
ZC>`ca
+;{rU&
class filler ,=x.aX
Spz
{ ixoMccU0
public : zSX'
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} <[*h_gE5
} ; ;5zjd,
pO@k@JZ
+^o3}`
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ]a&x'
@8T
Vr2uy
qhv4R| )
il 8A&`%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); !M#?kKj
m&;zLBA;
Ix%"4/z>
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Phk`=:xh
bs4fyb
23.y3t_?
MV:<w3!
二. 战前分析 Z)b)v
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ?et0W|^k
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 "oKj~:$
Vf#oKPP1
!]UU;8h~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); NG4eEnic!a
/* --------------------------------------------- */ QqT6P`0u
vector < int *> vp( 10 ); 4rGO8R
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Hj-<{#,
/* --------------------------------------------- */ ;RTrRh0v
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 0|qx/xo|-
/* --------------------------------------------- */ ]-+.lR%vd9
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); &9GR2GY
/* --------------------------------------------- */ ]y$V/Ij=qK
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); C>\h?<s
/* --------------------------------------------- */ Gh chfI.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); D| 8sjp4
uH~ TugQ~
-X6\[I:+A
'/n%}=a=
看了之后,我们可以思考一些问题: x1BDvTqW
1._1, _2是什么? UlLM<33_)
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。 JXD?a.vy^q
2._1 = 1是在做什么? \I`=JKYT
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。 071 E%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。 NC[GtAPD3
SFXfo1dqH
[f0oB$
三. 动工 )e <! =S
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: r5fz6"
:p*ojl|
dcc%G7w
>(1_Dn\
template < typename T > ^~*[~
class assignment 0wa!pE"
{ ,EGD8$RA]
T value; d
>wmg*J
public : xSMp[j
assignment( const T & v) : value(v) {} SBYMDKZ
template < typename T2 > WEY97_@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } p7ns(g@9
} ; W@uH!n>k
3Wtv+L7Br
&>wce5uV
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Jr*S2z<*
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment U{:(j5m
Z2pN<S{5
\w@_(4")Qb
Rs(CrB/M
class holder H--*[3".
{ ZE3ysLkm
public : O+UV\
template < typename T > Eg-Mm4o
assignment < T > operator = ( const T & t) const 6pdl,5[x-
{ Lb3K};SIV
return assignment < T > (t); +8@`lDnr
} +e3WwUx
} ; o-e,
[C~)&2wh>
35]G_\
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: >cr_^(UW&
> Qbc(}w
static holder _1; ?U9d3] W
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 p9] 7g%
F>oxnhp6
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); t5B|c<Hb\
而不用手动写一个函数对象。 l!2Z`D_MD
U(&nh?
'|A5a+[
xvz5\s|b
四. 问题分析 ;
K
6Fe)
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 Z!=Pc$?
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。 A%czhF
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 bCx1g/
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 j7HlvoZV
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ~RLx;
))+98iU1s
五. 问题1:一致性 TWR#MVMI
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?| w)y9!li
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 _I}L$
gBiQIhz
struct holder r(2'0JQ
{ :R*^Izs=
// UE$[;Zg
template < typename T > !7a^8
T & operator ()( const T & r) const &)f++(i
{ /KvPiQ%
return (T & )r; ZT6X4 Z
} s2v#evI`+
} ; sq(063l
en#g<on
这样的话assignment也必须相应改动: <B{VL8IA>
Wv*BwiQ
template < typename Left, typename Right > $^D(%
class assignment (>5VS
{ yLIj4bf
Left l; D>#v 6XI
Right r; F@(}=w^(A
public : w wRT$-!
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ![D,8]GD
template < typename T2 > LsD9hb7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } #vZ]2Ud=2
} ; j[ZniD
=O:ek#Bp
同时,holder的operator=也需要改动: 6l]?%0[*
Jz3<yQ-
template < typename T > x^#{2}4u
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const PdN\0B`
{ a.U:B
[v`
return assignment < holder, T > ( * this , t); Gv
nclnG
} V7'x?
pt
r~!%w(N|M
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。 pmD-]0
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 |b@A:8ss
B+[Q$Q"
return l(rhs) = r; >sS:x,-
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。 l
\n:"*To
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: MdboWE5i
M |kDys
template < typename Tp > b|@op>UZ
class constant_t f I-"8f0_
{ #_L&
const Tp t; pC.4AkEO
public : N4(VRA
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} :yFCp@&
template < typename T > >s?;2T2"yx
const Tp & operator ()( const T & r) const 1Kf
t?g
{ lGBdQc]IL
return t; i-vJ&}}
} tsC|R~wW
} ; eKti+n.
2DqHqq9m
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 SK}g(X7IWH
下面就可以修改holder的operator=了 kQ'xs%Fw
? /X6x1PN
template < typename T > MC)W?
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const @O0vh$3t0
{ Nv]/L+i
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 19{?w6G<k
} Kf<_A{s
CIvT5^}
同时也要修改assignment的operator() 4xn^`xf9
'n.9qxY;
template < typename T2 > =0fx6V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } F(fr,m3
现在代码看起来就很一致了。 H0NyxG<
dY`J,s
六. 问题2:链式操作 Ijro;rsEKM
现在让我们来看看如何处理链式操作。 (lsod#wEMg
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。 7TY"{?~O5
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。 #l%
\}OC
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。 ouZ9oy(}a
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct VOOThdR
:@A;!'zpL
template < typename T > OWfj<#}t+
struct result_1 ?+tZP3'
{ 7+r5?h|
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; YVp0}m
} ; ^S2}0Nf
RtQfE+
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: e1 }0f8%
FdHWF|D
template < typename T > ]J]p:Y>NL
struct ref 9Bw5 t@
{ pra&A2Y\
typedef T & reference; +mv%z3"j;
} ; b#j5fEY
template < typename T > #T`+~tW'|
struct ref < T &> [M>_(u6
{ [+7X&B
typedef T & reference; [kkcV5I-
} ; n}kz&,
D|#(zjl@
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下:
&g>+tkC
'2{o_<m
template < typename T > F4gc_>{|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const !qve1H4d2
{ }}R!Y)
return l(t) = r(t); <u/({SZ&
} Md{f,,E'^@
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。 M_I\:Q
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 M)Q+_c2*
Vp4]
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 swbD q
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: YHAg4eb8
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 $>m<+nai'
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?,>y`Qf*|
最后的布局是: e 3oIoj4o
Add VH65=9z
/ \ KphEw[4/
Divide 5 {u3u%^E;R
/ \ r{&"]'/X
_1 3 "//
8^e%Xo
似乎一切都解决了?不。 +-V?3fQ
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 ;r}<o?'RM
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 xc3Q7u!|
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: mn` Ae=
HEN9D/O=
template < typename Right > U%l{>*q
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const .C?g nOq
Right & rt) const I]1fH
{ \ziF(xTvqG
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); JwcP[w2
} !1R
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 <{uIB;P
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 YdaJ&
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 Vtri"G8 aB
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 (#k#0T kE
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 Pw{+7b$
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? nfB9M1Svn
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: hiuPvi}
R 5zV=N
template < class Action > 1tc9STYR}
class picker : public Action frt?*|:
{ =Ao;[j)*!
public : I~I%z'"RQd
picker( const Action & act) : Action(act) {} F
7=-k/k
// all the operator overloaded -uZ^UG!K
} ; ~+F: QrXcI
{mDaK&]Oh
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。 5V0=-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: V4>P8cE
c/u;v69r
template < typename Right > T>?~eYHXs
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const KME
#5=~
{ ;S7xJ'H
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ntT|G0E
} +J} 41
E9i WGSE
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > x9=lN^/4
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。 -:QyWw/d
`#V"@Go
template < typename T > struct picker_maker *VUXw@
{ <KpQu%2(
typedef picker < constant_t < T > > result; y.Py>GJJ1S
} ; C{D2mSS
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 4}CRM# W2
{ .&ZVy{uP
typedef picker < T > result; {:Q2Itsy
} ; |Yx8Ez
ra3WLK
下面总的结构就有了: eIO}/npT]Q
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。 \?o%<c5{
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。 gDv]n^&