一. 什么是Lambda =nsY[ s<
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 E,r PM
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, rf~Ss<
'e&4#VLH^
t5_`q(:
<Z&gAqj 2
class filler uJWX7UGuz
{ -or9!:8
public : &Ls0!dWC
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} $xl*P#
} ; 4?&=H
*H:
/Iskjcc60W
KGJB.<Be
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: b,'./{c0
Tx xc-$z
F 6Ol5
X bg7mj9c
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); |amEuKJ
81g&WQ'
<omz9d1
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 %>bwpN
|joGrWv4
:Cuae?O,
J
h"]iN
二. 战前分析 &sRyM'XI
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。 w\M_3}
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 #B?7{#.1
(tz! "K
4[#.N
3Y4*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); CV6H~t'1
/* --------------------------------------------- */ GZ e
)QH
vector < int *> vp( 10 ); lC2xl( #!
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ]uZH 0
/* --------------------------------------------- */ |EApKxaKD
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); HaSH0eTw
/* --------------------------------------------- */ H^s SHj
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); T;% SB&
/* --------------------------------------------- */ ff0B*0
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 07#!b~N
/* --------------------------------------------- */ l>]M^=,&7
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1);
3ty){#:
}_;nln?t(
\<8!b{F
cnsGP*w
看了之后,我们可以思考一些问题: c1/x,1LnMf
1._1, _2是什么? h;lnc|Hw
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。 HlO+^(eX
2._1 = 1是在做什么? Pv'x|p*
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。 '71btd1
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。 '*k\IM{h
`3OGCy
s6egd%r
三. 动工 0(kp>%mbB
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 5YCbFk^
|RmBa'.)z
@|@43}M]C-
1-n0"lP~4
template < typename T > d?K8Ygz
class assignment usA!MMH4
{ Gl:ASPZ6
T value; N7_Co;#(zK
public : RoTT%c P_
assignment( const T & v) : value(v) {} kel {9b=i
template < typename T2 > c1^3lgPv
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } %F~
dmA#:
} ; ox6rR
A3n"zxU
L:<'TXsRA
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 U]acm\^Z
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment .EdV36$n
tu'M YY
D.!4i.)8}
8vo}
.JIl
class holder !8g
y)2
{ |`nVr>QF&
public : *E]\l+]J
template < typename T > b$`O|S
assignment < T > operator = ( const T & t) const &<V~s/n=6?
{ <'-me09C*
return assignment < T > (t); }dz(DPd
} iCS/~[
} ; NEk [0
|#wz)=mD
S6mmk&n
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: 5*AKl< Jl
?KN_J
static holder _1; f/yK|[g~
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 +[ zo2lBx
F'I6aE%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 0"`skYJ@
而不用手动写一个函数对象。 UwU]l17~
A=K1T]o
#k)\e;,X
N,|oV|i
四. 问题分析 .yPx'_e
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。 ;j=1 oW
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。 WQx;tX
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 RHbwq]
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 v knFtpx
下面我们可以对这几个问题进行分析。 $b} +5
;[9Is\
五. 问题1:一致性 %a `dOEO
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| bSLj-vp
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 gwJu&HA/
#4M0%rN
struct holder Q_.Fw\l$`
{ SfUUo9R(sm
// Ysu/7o4
template < typename T > 1tW:(~=a;
T & operator ()( const T & r) const Z&,}Fgl!F
{ )v~]lk,o
return (T & )r; LS'=>s"
} ?W_U{=anl
} ; JuSS5 _&
`'WLGQG
这样的话assignment也必须相应改动: #cS,5(BM
W+?[SnHL/
template < typename Left, typename Right > mC`!
\"w
class assignment ISew]R2
{ LnS>3$t*
Left l; fx:KH:q3
Right r; .Er/t"Qs;
public : ->=++
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} VsEAo
template < typename T2 > u,:`5*al{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 6/ipdi[
_
} ; yan[{h]EZ
C&kl*nO
同时,holder的operator=也需要改动: :'~ gLW>j
<t% A)L%
template < typename T > yXg1N
N
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const [t{#@X
{ :n9~H+!
return assignment < holder, T > ( * this , t); ( y*X8
} GK?R76d
%+a@|Z
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 4uAafQ`@H
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 [[h)4H{T
=pyZ^/}P
return l(rhs) = r; 'hw@l>1\9
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 @H0%N53nE
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 2EwWV0BS
KxmPL
template < typename Tp > jDXGm[U
class constant_t j%jd@z ]@
{ 5dw@g4N %^
const Tp t; o~_>p/7;
public : A>%UYA
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} T,2Dr;
template < typename T > }, &,Dt
const Tp & operator ()( const T & r) const u%T$XG
{ 8:?Q(M7
return t; {JCz^0DV
} y6jmn1K
} ; GtJ*&=(
u;ooDIq@
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 m_02"'
下面就可以修改holder的operator=了 m$mY<Q
}9udo,RWu
template < typename T > }_(^/pnk
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ?En|
_E_C
{ G4%M$LJh
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Po11EZa$a
} I=
h4s(
s8Ry}{
同时也要修改assignment的operator() e$+f~~K
D4O5@KfL
template < typename T2 > k.xv+^b9Q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } =>}.W:=
现在代码看起来就很一致了。 }42qMOi#w1
f@Rpb}zg+C
六. 问题2:链式操作 pebx#}]p-
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Y:!/4GF
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。 ?V)C9@bp
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。 |8qK%n f}
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。 JlDDM
%
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct t#pqXY/;D
+V);'"L
template < typename T > w^rb|mKo
struct result_1 :7Z\3_D/
{ B?lBO
V4v4
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; J={OOj
} ; /=YqjZTCq
;Ma/b= 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: '
MS!ss=r
;;w6b:}-c
template < typename T > }y-;>i#m=g
struct ref }]g95xT
{ Ld}(*-1i
typedef T & reference; '6.>Wdd
} ; ?dKa;0\
template < typename T > ua$k^m7m5
struct ref < T &> A|taP$%
{ 9!xD~(Kr
typedef T & reference; [Zt#
c C+
} ; gN, k/U8
Ck3QrfM
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Z.aLk4QO@
vTMP&a'5L
template < typename T > i{|lsd(+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const o!s%h!%L
{ ~X~xE]1o|U
return l(t) = r(t); 8_<&f%/
} _z<Y#mik
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。 z{`6#
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 +U+aWk
'Vm5Cs$
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 OAW=Pozr9
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ?z5ne??
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 CQBT::
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ZTh?^}/
最后的布局是: Z:UgozdC
Add q ab)
1ft
/ \ MK-a$~<
Divide 5 5Cc6,
]
/ \ .K|P&
_1 3 QIij>!c4
似乎一切都解决了?不。 ~']&.
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 !B [1zE
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 QmH/yy3.%
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: f.b8ZBNj>
zdLVxL>87
template < typename Right > Pn'`Q S?
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const |'U,/
Right & rt) const 7y>Tn`V8G
{ B^i mG
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ilDJwZg#
} 0)A=+zSS1
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 mD D4_E2*
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 U;x1}eFT
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 oF%^QT"R
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 q3c*<n g#
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 (MgL"8TS
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ov\Ct%]
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: y\F`B0#$
dr|| !{\
template < class Action > vQ:x%=]
class picker : public Action -@%t"8
{ \3%W_vU_
public : *C4~}4WT\
picker( const Action & act) : Action(act) {} NniX/fk
// all the operator overloaded ,pDp>-vI%
} ; lp:_H-sG
?*CRa$_I|
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。 H<V+d^qX\w
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: /QrA8
/\TQc-k?2
template < typename Right > W.yV/fu
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ..??O^
{ |9+bSH9
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ^D9
/
} -`-ACWeNV
AGh~8[
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > CHPL>'NJzc
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。 lP}o[Rd
{udrT"h
template < typename T > struct picker_maker ,"@w>WL<9
{ |*%/ovg+
typedef picker < constant_t < T > > result; MPjr_yc]
} ; B1y<.1k
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > sk#9x`Rw
{ v]66.-
typedef picker < T > result; nA>*IU[
} ; k|^vCZ<(x
Xf6fH O
下面总的结构就有了: La\Q'0
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。 {VBR/M(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。 =ZG<BG_
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 $b4*/vMr
至此链式操作完美实现。 0o;k?4aP.c
~@xT]D!BQ
~q{\;
七. 问题3 Dz,uS nnm
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。 DD2adu^
<H<!ht%q3
template < typename T1, typename T2 > ,r@xPZPz:e
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Dp^"J85}
{ '-`O.
4u
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); +IvNyj|
} R_maNfS]Z
aZP2R"
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: pV8[l) J
eUYZxe :6
template < typename T1, typename T2 > ,cLH*@
struct result_2 sD{j@WEZ
{ miwf&b
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; yXkt:O,i
} ; SK?I.
%yeu"
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? ^#2xQ5h
这个差事就留给了holder自己。 >xZ5ac
I
</,.K`''W
U4]30B{;H
template < int Order > >Dxe>Q'df
class holder; L,#^&9bHa#
template <> z23#G>I&
class holder < 1 > 2bkJ /u`i
{ V5~fMsse
public : ~H7!MC~K
template < typename T > <&`:&