一. 什么是Lambda mgS%YG
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 (d_{+O"
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, GMFp,Df
d"$ \fL
BVG 3 T
B6,"S5@
class filler MSw/_{
{ uRJLSt9m
public : _uL m !ku
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} }nuhLt1
} ; ceAK;v
o
Kx ';mgG#$
xEGI'lt
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: "#(]{MY
+.{_n(kU
aM~M@wS
HnrT;!C~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 6MF%$K3
&`{%0r[UD#
~,.Agx
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 P$\(Bd\76
]e 81O#t3
gZ:)l@ Wu
vuA';,:~
二. 战前分析 V\^?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。 gQ h;4v
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 jO3Z2/#
{ 6*h';~
$wAVM/u&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]Ocf %(
/* --------------------------------------------- */ Lr_+)l
vector < int *> vp( 10 ); Ggsfr;m\`
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); &$|k<{j[<f
/* --------------------------------------------- */ f?[IwA`
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); %#Fd0L
/* --------------------------------------------- */ P*Uu)mG)G
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); "EDn;l-Q
/* --------------------------------------------- */ >?'cZTNk]
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 8 }nA8 J
/* --------------------------------------------- */ P.=&:ay7?
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); _z#zF[%
pu=Q;E_f[
l0 rZril
wqK>=Ri_
看了之后,我们可以思考一些问题: :TxfkicN\
1._1, _2是什么? Kw+?Lowp
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。 dq[j.Nmq
2._1 = 1是在做什么? WEZ(4ah
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?VX,9;j
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。 H@.j@l
5a&[NN
3_+-t5
三. 动工 It!PP1$
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: HFB2ep7N
w%g@X6
:OUNZDL
ubju uha"
template < typename T > AM#VRRTU
class assignment _A;jtS)SY
{ Y, )'0O
T value; |.0/~Xy-
public : !FX;QD@"
assignment( const T & v) : value(v) {} -"UK NB!
template < typename T2 > g~S>_~WL
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } [>=D9I@~
} ; 9N:Bu'j&/
m1heU3BUWU
y4t M0h
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 p3M)gH=N
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment pej/9{*xg(
F<M#T
s*>s;S?{|
kOmTji7
class holder \SHYwD}*Pr
{
FVPhk 2
public : nw+L _b
template < typename T > Zz'(!h Uy
assignment < T > operator = ( const T & t) const 47ppyh6@
{ :_~UO^*h
return assignment < T > (t); Xp[[ xV|
} 4_ztIrw
} ; L= O,OS+
&cV$8*2b^
+y! dU{L^
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: "CapP`:
M`*B/Fh2
static holder _1; @Kd1|K
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 9x0B9&
bIu'^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &^Zo}F2V
而不用手动写一个函数对象。 b8P/9D7K?
/J]Yj,
(YVl5}V
OB)Vk
四. 问题分析 9$c0<~B\
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。
({zt=}r,
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。 p+SFeUp
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 =;-/( C
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 $Q{)AN;m
下面我们可以对这几个问题进行分析。 \$}xt`6p
_iLXs
五. 问题1:一致性 ,> A9OTSN\
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?| =G]} L<
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 UK*+EEv
PX65Z|~>_
struct holder <"{Lv)4
{ \:mx Ri
// BQ{Gp 2N
template < typename T > y:WRpCZoa
T & operator ()( const T & r) const ol^V@3[<
{ &Y%Kr`.h
return (T & )r; vmK<_xbwd
} %Rj:r!XB:
} ; ge)g ?IP4
8+{WH/}y8
这样的话assignment也必须相应改动: lBqu}88q0
2hdi)C,7Y
template < typename Left, typename Right > M;OY+|uA
class assignment 9a 9<I
{ +8Yt91
Left l; !SEHDRp
Right r; LbOjKM^-
public : x^^;/%p
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} A^
$9[_
template < typename T2 > 6[,*2a8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ';us;xR#
} ; hAi50q;z
fp|!LU
同时,holder的operator=也需要改动: S9d+#6rn
|C?<!6.QmV
template < typename T > XKN`{h-@
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 6pDb5@QjTy
{ ZGK*]o=)
return assignment < holder, T > ( * this , t); L3lf2 8W
} G 5w:
QE[ETv
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。 6DqV1'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 &MsnQP
V^B'T]s
return l(rhs) = r; U4qp?g+:
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。 Z2~;u[0a[
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ,pE{N&p9
Zm& X $U
template < typename Tp > <\eHK[_*
class constant_t ^]o]'
{ jv<BGr=4;
const Tp t; O&!>C7
public : S~0 mY}
m
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Ta`=c0
template < typename T > ,2q LiE>
const Tp & operator ()( const T & r) const )%Z<9k
{ T5?@'b8F6
return t; `=0}+
} Q!(16
} ; tNg}:a|J
M%pxv6?""{
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 f?kA,!
下面就可以修改holder的operator=了 _Z z"`
Z12-Vps
template < typename T > w^EAk(77
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 0FD#9r
{ 4CVtXi_Y
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t));
hz{=@jX
} ~K]5`(KV
z[Xs=S!]I
同时也要修改assignment的operator() J[2c[|[-
6,*hzyy}Qu
template < typename T2 > | YmQO#''
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } <x@brXA
现在代码看起来就很一致了。 fBBNP)
7.-Q9xv
六. 问题2:链式操作 f{MXH&d 1\
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ,<s'/8Ik
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。 [t/7hx"2t
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。 AeR3wua
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。 ce-5XqzY@
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct |1C=Ow*"
VCfa<hn
template < typename T > U|VFzpJ
struct result_1 rdZk2\<
{ )!J0e-T-8O
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; $K>'aI;|
} ; &Iv3_T<AF
Uu
~BErEC
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: SE/GT:}
*-"DZ
template < typename T > Wm\HZ9PN
struct ref unu%\f>^4
{ $}RBK'cr}
typedef T & reference; gBb+Q,
} ; 3*C9;Q}
template < typename T > |pxM8g1w
struct ref < T &> qE?*:$
{ r(-`b8ZE
typedef T & reference; 5<h7+ %?t9
} ; ovJwor
7.7P>U
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: a[d6@!
l2Z!;Wm(
template < typename T > @)=\q`vV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const $?RxmWsP
{ &6
.r=,BO
return l(t) = r(t); e@N@8i"q5
} H:byCFN-
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。 tmEF7e`(o
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 &U/7D!^X
W(U:D?e
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 S_?{<{
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ZP75zeH
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 7`-f N|
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 l%XuYYQ
最后的布局是: 5Y77g[AX2-
Add VBV y3fnj
/ \ ~5LlIpf36|
Divide 5 46`(u"RP
/ \ { ]Tb
_1 3 uFPJ}m[>5
似乎一切都解决了?不。 0\XG;KA
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。 40,u(4.m*
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。 k\(LBZ"vR
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: pJ)PVo\cV
!9w3/Gthj
template < typename Right > 8+'9K%'@qX
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ('k;Ikut
Right & rt) const <j
CD^
{ <NRW^#g<x
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); P X/{
} 5WJof`M
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 +b@KS"3h
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。 !Ab4'4f
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。 esE5#Yq4.k
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}:{}pw
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。 XIQfgrGZ
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? BPRhGG|9j
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: *$+k-BV
\/=w\Tj
template < class Action > /S9s%scAy
class picker : public Action "Z xM,kI
{ *^ag wQ`
public : YI[y/~!
picker( const Action & act) : Action(act) {} S
?v^/F
// all the operator overloaded xZ2^lsY
} ; ~Q<h,P
?+6w8j%\
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 `Hj{XIOx
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: >IZ|:lsxE
2Lravb3
template < typename Right > l6o?(!:!%
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const PEA<H0
{ 2|a@,TW}-
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); tR`'( *wh
} ;&="aD
}t.J;(ff:
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2Cy">Exl
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 N=4`jy =
lJZ-*"9V
template < typename T > struct picker_maker +%Y`>1I^#
{ }<G"w5.<
typedef picker < constant_t < T > > result; "^?|=sQ
} ; U9N1)3/u
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > p\xi5z
{ h$\+r<
typedef picker < T > result; IC5[:UZ5]
} ; 9hoTxWpmy
jGV+ ~a
下面总的结构就有了: i
qLNX)
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。 1E3'H7k\t
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。 snU
$Na3
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 &
QO9 /!
至此链式操作完美实现。 Y"eR&d
sT&O %(
UC@&! kM
七. 问题3 42 6l:>D(
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 [}p/pj=
e* 2ay1c
template < typename T1, typename T2 > OXT'$]p.*
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const PH,MZ"Z%
{ t?bc$,S"\(
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); G'>?/l#
} #~ikR.-+Eq
%~z/, [wk
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: BgPwIK
x
'j6)5WL$
template < typename T1, typename T2 > "0BuQ{CQ
struct result_2 ">$.>sn{
{ |q0MM^%"
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; [):&R1