一. 什么是Lambda O#PwRud$
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 VIYV92[
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, l4Y1(
"7?t)FOo
!VNbj\Bp
O*4gV }:G
class filler ?'f^X$aS
{ 1 mHk =J~
public : pVz pN8!
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} tnL."^%A2I
} ; 1g81S_T
.
6puVw-X
z'e1"Y.
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: O3&|}:<
<O
bH f`Q
M1gP
R
X{'wWWZC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); &%}6q]e
V7n >,k5
<THUsY`3P&
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 1:YAn
hy=u}^F.C
8L{$v~ +
b_l.QKk
二. 战前分析 cUNGo%Y
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。 *G9
[j$
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 HIrEv
`~|DoSi^d
Es~DHX
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); -7,vtd[h
/* --------------------------------------------- */ gb9[Meg'
vector < int *> vp( 10 ); i&1U4q
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); _&K\D
p&@
/* --------------------------------------------- */ gTuX *7w
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); XX:q|?6_ 4
/* --------------------------------------------- */ V-:`+&S{^
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 9kUV1?
/* --------------------------------------------- */ Gzj3Ka
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); &R0OeRToUb
/* --------------------------------------------- */ ;h~?ko
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); \ bC}&Iz6
Kj=;>u
8`DO[Z
pB[%:w/@l:
看了之后,我们可以思考一些问题: .oEFX8
1._1, _2是什么? EuLXtq
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。 A
mvw`u>
2._1 = 1是在做什么? GtG&yeB
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。 :(+]b
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。 b%<16 4i
yX3PUO9
phe"JNML
三. 动工 "zXGp7Q'#
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Ys)+9yPPn
Sr-|,\/O
(
-xR7A
17|@f
template < typename T > )< l\jfx e
class assignment df!+T0
{ FSFFk~
T value; /!:L7@BZ
public : 6/VNuQ_#
assignment( const T & v) : value(v) {} rXlx?GV
template < typename T2 > { _-wG3f|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ~.iA`${y%
} ; p[_Yi0U
i+U@\:=
HKM~BL
"X
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 t2Ip\>;9f
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment }z8{B3K
B,w:DX
P4i3y{$V
KU*`f{|
class holder ]v<d0"2
{ CG CQa0
public : 5DmCxg
template < typename T > #"|"cYi,
assignment < T > operator = ( const T & t) const iJEB?y
{
dD :
return assignment < T > (t); ip<15;Z
} _r~!O$2
} ; `Fz\wPd
&3jBE--
;HR 6X
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: +}kO;\
4 0p3Rv
static holder _1; r[6#G2
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 7s0)3HR}
z7|
s%&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); {qJHL;mP:8
而不用手动写一个函数对象。 mJSK; @w<O
U LV)0SB
G`9cd\^
Cc@=?
四. 问题分析 ]d[Rf$>vu0
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。 #4Dn@Gqh.Y
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。 |if~i;VKL
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Y]hV-_2+Do
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 bl$+8!~
下面我们可以对这几个问题进行分析。 1 ,#{X3
jB5>y&+
五. 问题1:一致性 kA;xAb+U3
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| W^5<XX,ON
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 X\o/i\ C}
@^'G&%j
struct holder &G0l&8pa
{ .WBI%ci
// ;Fx')
template < typename T > j2< !z;2
T & operator ()( const T & r) const 5{8x*PSl
{ ~gSwxGT7d
return (T & )r; 'bZMh9|
} YgO aZqN
} ; i,mrMi
c#
#;5[('&[
这样的话assignment也必须相应改动: ;% /6Y~/
q"{Up
template < typename Left, typename Right > !w @1!Xpn1
class assignment 4 *Bp
{ P%.`c?olbs
Left l; ,Wz[tYL*
Right r; 6U;Jg_zS
public : C/{nr-V3u
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} *p" "YEN
template < typename T2 > `G_(xN7O
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } CP c"
} ; ,`ZPtnH+
*i=?0M4S
同时,holder的operator=也需要改动: w{_e"N
+A]&AkTw
template < typename T > Y&oP>n! ei
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ):/<H
{ y_}K?
return assignment < holder, T > ( * this , t); } l :mN
} }2-[Ki yv
,:0Q1~8
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 %E4$ZPSW
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 2neF<H?^o
>P<k[vF
return l(rhs) = r; Ymwx(Pm
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。 kS@9c _3S
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: I>A^5nk
bs<WH`P
template < typename Tp > =XZF.ur
class constant_t R=][>\7]}
{ ;FV~q{
const Tp t; !L&=?CX
public : -_y~rx
>
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} t!J";l
template < typename T > g28S3 '2
const Tp & operator ()( const T & r) const 8L]gQ g
{ {B'Gm]4
return t; "7Toc4
} ^q4l4)8jX
} ; ()+jrrK
W
/~||s
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 w,M1`RsK
下面就可以修改holder的operator=了 L #t-KLJ
o{ ,ba~$.w
template < typename T > R-g>W
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !~Hafn-1
{ (hhdbf
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 5@w'_#!)
} BxSk%$J
xm<5S;E5U4
同时也要修改assignment的operator() "-0pz\a
jw`&Np2Q
template < typename T2 > pl
jV|.?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } {u(}ED#p
现在代码看起来就很一致了。 x?k
(&9DB
六. 问题2:链式操作 #U",,*2
现在让我们来看看如何处理链式操作。 m~= ]^e
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。 DuTlYXM2^
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。 2.HZ+1
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。 *@-q@5r}!
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 9J-!o]f .b
NDs]}5#
template < typename T > /{eih]`x(
struct result_1 .LeF|EQU\@
{ 7| h3.
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; >.!5M L\
} ; 9E->;0-
H3p4,Y}'#
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: g( @$uJ
^Ff~j&L@{
template < typename T > !Zk%P
struct ref ?1-n\ka
{ ="#:=i]
typedef T & reference; [#STR=_f
} ; zVc7q7E
template < typename T > g9FVb7In_
struct ref < T &> Ov~S2?E8
{ Rk437vQD,
typedef T & reference; 2;Y@3d:z
} ; yZj}EBa
;qT!fuN;
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: JR?
)SGB
i(&6ys5
template < typename T > 'y+bx?3Z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const p5twL
{ Qq;m"M /
return l(t) = r(t); :oon}_MdRd
} M0;t%*1
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。 2-cU -i4
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 8ACYuN\
\V"PmaP\
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 07T;IV3#C5
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: uDy>xJ|
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 "a0u-}/D
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ~kSnXJv
最后的布局是: &G7)s%q
Add lH,]ZA./
/ \ XoH[MJC
Divide 5 *Lb(urf
/ \ 0?5%
_1 3 Fl#VKU3h
似乎一切都解决了?不。 ERX|cc
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。 !5E%W[
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。 "dLMBY~
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: lkSz7dr@
,/w852|ub
template < typename Right > [FAOp@7W
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const lE2wkY9^/
Right & rt) const Oc"'ay(g
{ :~0^ib<v;
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9(N)MT5F
} [o[v"e\w
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 cmr6,3_
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。 njwR~ aL`|
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%e6
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。 O=#/DM;
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。 &,Zz
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? -u3SsU)_%N
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: cDQw`ORP*g
bWC~Hv
template < class Action > yqVaA 'w5
class picker : public Action *OGXu07 !
{ Gwrx)Mq
public : +,F=
-
picker( const Action & act) : Action(act) {} ax{-Qi7z-+
// all the operator overloaded d_WnK{
} ; Wf`OyeRz
LO$#DHPt
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。 Q:fUM[
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: YP\4XI
Xb+if
template < typename Right > \}4#**]
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 2=/g~rp*
{ tO+ %b=Z^
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8O.:3%D~
t
} ;qVEI/
>;' 1k'
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > I3zitI;
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。 ,QHx*~9
M#lVPXS
template < typename T > struct picker_maker uZ2v;]\Y6
{ s=y9!rr
typedef picker < constant_t < T > > result; &h4Z|h[01
} ; l=-dK_I?
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Z_OqXo=
{ 9h,yb4jPP
typedef picker < T > result; v4k=NH+w
} ; ;aRWJG
[[66[;
下面总的结构就有了: c9g \7L,Z
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。 MBYD,v&
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。 xU\:Vid+A
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 1O3<%T#LOZ
至此链式操作完美实现。 ?D
)qgH
1TxhE XB
[vjkU7;7A
七. 问题3 >gi{x|/
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。 sei!9+bZr
bU4+PA@$
template < typename T1, typename T2 > "$:y03V
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const /?dQUu^z
{ ^%*{:0'
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 73sAZa|
} @qhg[= @
H;7H6fyZ
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: c"sw@<HG
_OxnHf:|
template < typename T1, typename T2 > .&yWHdQC:
struct result_2 -_4jJxh=OB
{ jf)JPa_
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; $evuPm8G
} ; Y'a(J 7
X"khuyT_
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Y)j,(9
这个差事就留给了holder自己。 k2tX$ \E
]MA)='~
CD<u@l,1
template < int Order > O"-PNF,J
class holder;
@Kb|
template <> \=G
Xe.}4d
class holder < 1 > )J6b:W
{ x#gmliF
public : D>x'3WYR
template < typename T > h}%M
struct result_1 K~ /V
{ vLT12v:)`
typedef T & result; &$z1Hz +l
} ; 0?L$)T-B
template < typename T1, typename T2 > Y)5uK:)^
struct result_2 AA& dZjz
{ +VW]%6+
typedef T1 & result; NCM{OAjS5U
} ; x2&