一. 什么是Lambda Fm#4;'x5E
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 s~6?p%
2]
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, DCACj-f
QDzFl1\P
ullq}}
V/.Y]dN5
class filler ^;Nu\c
{
|4\.",Bg
public : NFDi2L>Ba
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Y`uL4)hR5
} ; A%Pjg1(uX
vnw83a%3
`$JPF Z
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ((SN We
2~<?E`+
LR@rn2Z
-|~6Zf"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); DDw H9*
4l@*x^F
G[)Ll=
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Ep|W>
aW$sd)
a<k x95
.8<bz4
二. 战前分析 V44IA[
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。 w6F4o;<PR
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 ?dl7!I@<E<
iN %kF'&9
~gNa<tg"1
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nr
Jl>H
/* --------------------------------------------- */ 7M=LyrO
vector < int *> vp( 10 ); /[#<@o
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 7{
(t_N>
/* --------------------------------------------- */ ,P3nZ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); @SF*Kvb&
/* --------------------------------------------- */ 4yV}4f$q
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); : P>Wd3m
/* --------------------------------------------- */ :rnn`/L
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 'JsP9>)
/* --------------------------------------------- */ :EJ+#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Psij*%I4
h\Ck""&
?lKFcm
;?"]S/16,
看了之后,我们可以思考一些问题: ,]gYy00w0s
1._1, _2是什么? r?{tu82#i
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。 t7pe)i,)
2._1 = 1是在做什么? qgbp-A!2zF
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。 <Td4 o&JR
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。 Wf^6:
$vnshU8/v
3R1v0
三. 动工 Cu3^de@h
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: EtjN :p|$
_Qs=v0B//
^31X-}tv
Q&}`( ]k
template < typename T > -&I)3
class assignment R*3x{DNL
{ R#eY@N}\
T value; 7%)
F]
public : ~4S@kYe{3K
assignment( const T & v) : value(v) {} v_3r8My-
template < typename T2 > GD<xmuo
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &k*sxW'
} ; wWB-P6
:8cp]vdW
i1e|UR-wl
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Oz<{B]pEul
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ^
ry
w~wpm7
n@<+D`[.V
FO#`}? R`
class holder V`sINX
{ ;^za/h>r
public : M >#kfSF+
template < typename T > X-%XZDB6
assignment < T > operator = ( const T & t) const pJ!:mt
{ 7SO i9JU_
return assignment < T > (t);
49q\/
} FJDx80J
} ; o{5es
th]1>
.
ys`"-o[*
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: \ws<W7
zRSIJ!A~
static holder _1; %g1:yx
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 't'~p#$,F
4+qoq$F</
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); >_bH,/D'
而不用手动写一个函数对象。 3@P
2]Q~D
xp<\7m_N
CBz$N) f
*Y8nea^$
四. 问题分析 OPHf9T3H
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。 oKjQ?
4
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。 \6~(#y
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ~ HFDX@m*
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 'au7rX(
下面我们可以对这几个问题进行分析。 N) D;)ZH
n\Y{?x
五. 问题1:一致性 r!A1Sfo4P
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?| P/uk]5H^
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 OIPJN8V
]w ^9qS
struct holder i7]\}w|
{ ,)-7f|
// I,J*\)-%J
template < typename T > X/Umfci
T & operator ()( const T & r) const l'TM^B)`c
{ <d!_.f}v
return (T & )r; qXC>DGy
} &}%rZU
} ; >S/m(98
?[{_*qh
这样的话assignment也必须相应改动: vZ3/t8$*
yU'Fyul
template < typename Left, typename Right > Z<+Ipj&
class assignment |]FJfMX
{ pV`?=[h9
Left l; MD`1KC_m
Right r; uXD?s3Wv
public : GR6BpV7
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} t<~$?tuZ
template < typename T2 > >HMuh)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ,FWC|uM"
} ; !##OQ
)"SP >2}
同时,holder的operator=也需要改动: h:%L% Y9z
Y)="of
template < typename T > U8Rko)
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const rq=D[vX\N(
{ ?U3X,uv5J
return assignment < holder, T > ( * this , t); ["]r=l
} rm}OVL
Wc]L43u
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。 lxsBXX Zg
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 mFoE2?Y
=^
return l(rhs) = r; c~j")o
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。 !\D[lh}rL
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ;oL`fQyr
0Bbno9Yp
template < typename Tp > 6%N.'wf
class constant_t Lckb*/jV&
{ <*O~?=6p
const Tp t; k4WUfL d
public : wCT. (d_
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} a
W1y0
template < typename T > L#)F00/`
const Tp & operator ()( const T & r) const G .PzpBA
{ <<a1a
return t; rmVF88/;
} ks{y=@<,
} ; gKyYBr
9k5$rK`
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 "zpc)'$L=
下面就可以修改holder的operator=了 ue?e}hF
]r6S|;:
template < typename T > R`%C]uG
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const )L^GGy8w
{ |#uA(V
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); @JFfyQ {-
} -44{b<:D
!cblmF;0
同时也要修改assignment的operator() zT_
BT[jD}?
template < typename T2 > <~wr;"S
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 5!GL"
现在代码看起来就很一致了。 fyb:eO}
h?UUd\RU)
六. 问题2:链式操作 T&@xgj|!)
现在让我们来看看如何处理链式操作。 WKjE^u
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。 d5aG6/
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。 ){'Ef_/R
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。 @D:$~4ks
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct o u%Xnk~
Q[5j5vry
template < typename T > TV^m1uC
struct result_1 h%2;B;p]
{ A}./ ;[
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; \J@i:J6x$1
} ; AC`4n|,zJ;
Atdr|2
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: $?voQ&
="yN4+0-p
template < typename T > m*'^*#
struct ref "YW&,X5R
{ A:{PPjs%LA
typedef T & reference; {\HEUIa]w
} ; bLSZZfq
template < typename T > w4 R!aWLd
struct ref < T &> dS+/G9X^
{ =1/d>kke
typedef T & reference; 6.uyY@Yx
} ; nDiy[Y-4Wp
! };OLQ
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: @jXdQY%{
jY: )W*TXt
template < typename T > uL.)+E
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ]Tv0+ Ao
{ S!\4,6
return l(t) = r(t); ^T^l3B[
} :K-05$K
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。 V5]}b[X
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 j=&]=0F
Wc6Jgpl
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 uv&??F]/
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: D's Tv}P
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 I-L52%E]
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 7FQ&LF46
最后的布局是: G[;GP0\N
Add x%J4A+kU
/ \ tBJCfM
Divide 5 n\X'2
/ \ p }p@])}8
_1 3 X`,=tM
似乎一切都解决了?不。 A }(V2
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。 blUnAu
o~
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。 o8PK,!Pl
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: ^(w%m#
5uo?KSX%
template < typename Right > V*}xlxSL
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const !]^,!7x,8j
Right & rt) const #pe#(xoI
{ RB,`I#z1f
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @ PboT1
} /Qa'\X,f3
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 yniXb2iM
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。 lKtA.{(
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。 1KHFzx,
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。 \3WF-!xe
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。 .el&\Jt
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? G}|!Jdr
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: As5*)o"&
"UNWbsn6Qr
template < class Action > 9A7LDHst7
class picker : public Action *h <_gn
{ -VC
kk
public : -l:4I6-hi
picker( const Action & act) : Action(act) {} _S$SL%;\
// all the operator overloaded xJ&E2Bf
} ; RWX?B
3Ygt!
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 4V6^@
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: '<$!?="
[Yi;k,F:
template < typename Right > IasWm/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Rhfx
{ 6h?v/\
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )\`.Ru~,
} bjR:5@"
Ba8 s
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > t9U-c5bR
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。 M/d6I$~7z
?o>JX.Nl&7
template < typename T > struct picker_maker B'AU~#d
{ XABB6J]
typedef picker < constant_t < T > > result; goMv8d
} ; 0=:]tSD\F
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > =%i~HDiy
{ uQ(C,f[6p
typedef picker < T > result; # $N)
} ; Y<ZaW{%
w%3*T#tp
下面总的结构就有了: oe4r_EkYwW
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 0%W0vTvL
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 2HX#:y{\l
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 [ Q@rW5,-
至此链式操作完美实现。 ;ndwVZ~,
G/)]aGr
0#/N ZO
七. 问题3 U!TSAg21P
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 crDm2oA~t
J#/L}h;qH
template < typename T1, typename T2 > ##\
<mFE
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Xc}~_.]
{ ((AsZ$[S
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); =O.%)|
} H\PY\O&cP
*7JsmN?
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: -(;<Q_'s{"
; *ZiH%q,
template < typename T1, typename T2 > n N_Ylw
struct result_2 9w:F_gr
{ ]lgI Q;r
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; W3gBLotdg
} ; Vlf =gP
us,~<e0
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? |eu:qn8
这个差事就留给了holder自己。 *a[iq`499
8q"C=t7
te*|>NRS
template < int Order > ,|7!/]0&
class holder; gm1 7VrC
template <> N
t-8[J
class holder < 1 > !A|ayYBb\
{
%&81xAt
public : 8Buus
template < typename T > `,7;2ZG~O
struct result_1 hgU#2`fS
{ &UextG