一. 什么是Lambda 'lWNU
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 )]>9\(
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, $*tuv?
%j'lWwi
"l!"gc87
pz(clTOD:
class filler ?C_%"!GR
{ 6rk/74gI,a
public : Wd[XQZ<
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} CNzK-,
} ; #SL/Jr
DZ
#)XO,^s.
Cnc77EUD
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: MtS$ovg?
Skx TgX5
~j UK-E
?p`}6s Q}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); E3`KO'v%
|^FDsJUN
1Eg,iTn2*x
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 yfV{2[8ux
SN+&'?$WD
:yv!
x
_ TUw0:&
二. 战前分析 vWow^g
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 MjHeUf
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 m0:8thZN
z\fk?Tj<ro
7FWf,IjcGY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); {C
7=
/* --------------------------------------------- */ ]RxNSr0e
vector < int *> vp( 10 ); &:Q""e!
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 1cUC>_%?
/* --------------------------------------------- */ rGoB&% pc
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); l*h6JgU
/* --------------------------------------------- */ A+?n=IHh
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ]t<%v_K
/* --------------------------------------------- */ f3nib8B'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' );
i2y?CI
/* --------------------------------------------- */ w+}KX><r
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); i`E]gJ$
F|V?Z
\2W( >_z
rBpr1XKl,
看了之后,我们可以思考一些问题: )Y)7p//
1._1, _2是什么? wd u>3Ch"y
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。 SJw0y[IL6(
2._1 = 1是在做什么? |]Ockg[
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。 vhT9#) HI
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。 L[IjzxUv
m"u 9AOH k
_w)0r}{
三. 动工 K?P.1H`
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: (RGl, x:
|
YvO$4=s
Yh"R#
S7-?&[oeJ
template < typename T > s*rtm
class assignment Rb#?c+&#
{ x!S8'
T value; 10*U2FY)]
public : nQ8EV>j2
assignment( const T & v) : value(v) {} =_=jXWOQv
template < typename T2 > )5&Wt@7Kj`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } >4bOM@[]
} ; !1|f,9C
6?2/b`k
UGl}=hwKkG
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 a]75z)XR
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment wtMS<$
!! #\P7P
J\#6U|a""u
l@##
Ex9
class holder !SVW}Q=5#
{ l~!#<=.
public : ^fH]Rlx
template < typename T > )TG\P,H9
assignment < T > operator = ( const T & t) const {d=y9Jb^
{ %N>@( .
return assignment < T > (t); _M{m6k(h
} sd
Z=3)
} ; obUh+9K
`4XfT.9GT
k5W5 9tz
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: $yRbo'-
S tn[M|
static holder _1; =T;%R^@
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ^k~{6S,
))u$j4V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); /ZX8gR5x
而不用手动写一个函数对象。 {_PV~8u
VAV@Qn
cND2(<jx:
Wu%;{y~#}
四. 问题分析 G| ^tqI
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。
}?"f#bI
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。 yU&A[DZQ
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 90M:0SH
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ]oZ$,2#;~
下面我们可以对这几个问题进行分析。 h|_G2p^J+"
M`AbH19
五. 问题1:一致性 1 BVivEG
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?| <Eq^rh
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 rXvvJIbi
Ws}u4t
struct holder 8ec~"vGLz~
{ (iH5F9WO
// $O7>E!uVD
template < typename T > 65qH
T & operator ()( const T & r) const v='7.A
{ E9QNx62
return (T & )r; 7vgz=-
MZ#
} w~Es,@
} ; 2=u5N[*
SC"=M^E
这样的话assignment也必须相应改动: qDOx5.d
oQFpIX;\m
template < typename Left, typename Right > PJ9JRG7j
class assignment H?M8j] R-)
{ r's4-\
Left l; naW}[y*y;
Right r; G$Z8k,g+<7
public : CQ6Z[hLWF
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} k2p{<SO;
template < typename T2 > 8M8=uw~#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } P7<~S8)Y
} ; zLC\Rc4
TE^BfAw@
同时,holder的operator=也需要改动: Uo5l
=\
b'uH4[zX%
template < typename T > kQwBrb4
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const EVrOu""
{ #W'jNX,h
return assignment < holder, T > ( * this , t); >=[w{Vn'Mf
} l\jf]BHX'
h,0mJj-ma
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。 *_3+ DF
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 KGzBK:
y~Sh|2x8v
return l(rhs) = r; M%sWtgw(
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。 = M ?
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ~~b[X\1
XEY((VL0
template < typename Tp > zEpcJHI%
class constant_t <JDkvpckx.
{ Z3T:R"l;
const Tp t; |Zncr9b
public : p7Gs
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 5(tOQ%AQ
template < typename T > lRX*\M\`
const Tp & operator ()( const T & r) const
&-s!ko4z
{ [uW{Ap ~2
return t; @tRq(*(/:
} :1s6h%evrT
} ; #*1\h=bzmW
i{
eDV
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 p 8Ts5n
下面就可以修改holder的operator=了
WwPfz<I
\c_1uDRoUn
template < typename T > ZSU;>&>%v
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const SPn0D9b]
{ g_5:o
3s
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); %dKUB4
} %v4/.4sR,;
)9l5gZX'I
同时也要修改assignment的operator() ;HgV(d#X
/@Y/(+DE
template < typename T2 > O. V!L
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } O5LB&s
现在代码看起来就很一致了。 [D^KM|I%+
(KK9/k
六. 问题2:链式操作 KPs5? X
现在让我们来看看如何处理链式操作。 jx+%X\zokA
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。 A#f@0W:
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。 Tr-gdX ;
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。 )1Z*kY?f!
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct +}J2\!Jw
*R0Ae 4
template < typename T > 8 U B?X
struct result_1 {xMY2I++
{ 1wi{lJaz
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; w*f.Fu(su
} ; =;i@,{
~
CT6a
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: l{E+j%
5kofO
template < typename T > #xNLr
struct ref ZS4lb=)G
{ bWW$_Spr
typedef T & reference; qWfG@hn
} ; "P~0 7
template < typename T > 6&`.C/"2
struct ref < T &> F]q pDv
{ &zynfj#o
typedef T & reference; ]o6Or,ml
} ; rH8w||S2U
hmHm;l
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: W52AX.Nm
mh2t ' O
template < typename T > a.y_o50#T
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const >u4%s7v
{ CVyqr_n65/
return l(t) = r(t); \8'fy\
} e #>wv]V
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 AVyqtztQ
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 k
?X
QyuSle
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 O\,n;oj
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: [u[F6Wst
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 hCQzD2
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 KLGhsx35
最后的布局是: ~B'K_#
Add mA|!IhM
/ \ `i<;5s!rX
Divide 5 j{C+`~O
/ \ jV;&*4if
_1 3 zZ3,e L
似乎一切都解决了?不。 OQ;DqV
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 DK}k||-
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Hc ]/0:
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: K{%}kUj>
]s?BwLU6
template < typename Right > H-K,Q%;C@
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;H9d.D8
Right & rt) const :<YcV#!P
{ @kK${
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); vd
c k
} 3)^-A4~E
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 {.GC7dx
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。 )@DH&
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。 AkrUb$ }
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。 g>_lU
vSE
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。 K, ae-#wgb
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? 0zCe|s.S&
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: "2o,XF
"gADHt=MIR
template < class Action > qPK3"fzH
class picker : public Action _%Sorr
{ C\Qor3];
public : AB'q!7NR
picker( const Action & act) : Action(act) {}
RLOB
// all the operator overloaded L1D{LzlBti
} ; y TfAS.
"45O!AjP
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。 &~ QQZ]q6
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: sPYG?P(l
R?a)2jl
template < typename Right > |kyxa2F{
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const wrv-"%u)
{ ~'2)E/IeV
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :?2+'+%'
} n8DWA`[ib
TMj(y{2
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ]X?~Cz/wl
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。 % <
D
4#MvOjA5[
template < typename T > struct picker_maker 2cY7sE068
{ TK<~(Dk
typedef picker < constant_t < T > > result; QijEb
} ; $m] ~d6
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > PdcF
{ p&ytUTna
typedef picker < T > result; 2siUpmX
} ; Z;M]^?
/.l8Jb4
下面总的结构就有了: O'{UAb+-
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 =G2D4>q
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 S/Pffal
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 HUiW#x%;
至此链式操作完美实现。 -(V]knIF
PLf
p1
>
D
七. 问题3 rC
V&&09
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 9oKRnc
D ksSD
template < typename T1, typename T2 > %wn|H>
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const t$^1A1Ef
{ Z[<rz6%cB
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ,rVm81-2
} D[ U[D
hG .>>
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: 3CK4a,]Dm
0Aw.aQ~E8i
template < typename T1, typename T2 > >MZWm6M8
struct result_2 4vKp341B
{ Bh$hgf.C
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; *jM~VTXwt
} ; z6 2gF|Uj
yb*P&si5bY
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? ?3~]H
这个差事就留给了holder自己。 S7&w r@
pt .0%3
UhQ [|c
template < int Order > XF(0>-
class holder; JYB"\VV
template <> j3jf:7 /\
class holder < 1 > flDe*F^
{ #D~atgR
public : (1p[K-J)r
template < typename T > <