一. 什么是Lambda Kx%Sku<F'
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 J.|+ID+
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, Nj 00W1
(V HL{rj
y(xJTj
]i)j3WDz]
class filler H_QsNf
{ 5;{H&O9Q
public : @n": w2^B
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} "T- `$'9
} ; piZJJYv t
}3L@J8:D"
A\.GV1
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 'Un" rts
)[|3ZP`
s4uhsJL V$
@#-q^}3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); <(-hx+^
Vkc#7W(
w/ K_B:s
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 aVd,xl
:]1TGfS
ziCHjqT
,YMp<C
二. 战前分析 NSDv;|f
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。 _zwUE
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 'uxX5k/D@t
)
v,:N.@Q
Ck|8qUz-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Ht4;5?/y
/* --------------------------------------------- */ 5kz)5,KjM
vector < int *> vp( 10 ); ,c)uX#1
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 2]ape !(
/* --------------------------------------------- */ v7`HQvQEz=
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); d8x \
/* --------------------------------------------- */
7?%k7f
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); oGRhnP'PF+
/* --------------------------------------------- */ >L
0_ dvr
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); h^o{@/2
/* --------------------------------------------- */ A`}rqhU.{-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ^:Gie
n= u&uqA*
4zo5}L`Y
%V ;?
看了之后,我们可以思考一些问题: E!P yL>){
1._1, _2是什么? y7i*s^ys{
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。 K]9"_UnN
2._1 = 1是在做什么? =HlQ36;*
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]dwX%:Z!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。 w2'f/
pn5Q5xc
K]0JC/R6(@
三. 动工 LmnymcH
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: <fFTY130:
dp*u9z~NA
F;<xnC{[
H?X|(r|+
template < typename T > <>aw
1WM+
class assignment <h'5cO
{ OUNd@o
T value; ^ cz(}N
6&
public : #Q`dku%V:
assignment( const T & v) : value(v) {} $
.
9V&
template < typename T2 > 3^6
d]f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ikSt"}/hd
} ; -xA2pYz"
PJL=$gBgKk
Rw:*'1
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Gnq?"</
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment }=]M2}
3S}Pm2D2
tyqT
?pB>0b~3-
class holder 4Q6mo/=H
{ d*%`!G
public : &?yZv{
template < typename T > VQS~\:1
assignment < T > operator = ( const T & t) const ~15N7=wCM
{ cbT7CG
return assignment < T > (t); Tap.5jHL
} #a8B/-
} ;
VN\W]jT
@-!}BUs?
LB a[:j2
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 3 C<L
cZ2kYn8
static holder _1; [CXrSST")E
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ?3.b{Cq{-
j?x>_#tIY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]33>m|?@
而不用手动写一个函数对象。 ?}U(3
"\o+v|;
-RvQB
In<n&ib
四. 问题分析 m~-K[+ya`D
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 m1Mt#@,$
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。 1R1z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 n' q4
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 S9~+c
下面我们可以对这几个问题进行分析。 &b%zQ4%d-`
PC-"gi=h
五. 问题1:一致性 +2&@x=xy
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?| a+Kj1ix
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。
`yH<E+
tAv@R&W,
struct holder e(GP^oK
{ 9E"vN
// O%5
r[
template < typename T > [VsKa\9u
T & operator ()( const T & r) const HTS%^<u
{ E4~<V=2l
return (T & )r; l^pA2yh|
} li}1S
} ; h1B16)
r[b(I@T+
这样的话assignment也必须相应改动: SfaQvstN
$4 S@
template < typename Left, typename Right > to DG7XN}
class assignment dE4L=sTEsy
{ sE Q=dcK
Left l; rp!oO>F
Right r; 1]@}|
public : noml8o
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} HiR[(5vnf
template < typename T2 > {^7Hgg
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5BlR1*
} ; ?7.7`1m!v
eOs)_?}
同时,holder的operator=也需要改动: +~mA}psr
/2=#t-p+
template < typename T > GycSwQ
,
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 0+kH:dP{
{ I uMQ9&
return assignment < holder, T > ( * this , t); Pa
V@aM~3
} `\#B18eU
`OXpU,Z 6U
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。 B1>/5hV}
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 8TLgNQP
z6jc8Z=O
return l(rhs) = r; (nlvl?\d
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。 XF;ES3 d
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Of[XKFn_
3TY5 ;6
template < typename Tp > l0PZ`m+;j
class constant_t ;h*K }U
{ i*Sqd a
$
const Tp t; 7 /VK##z
public : b`~p.c%(
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} %t" CX5n
template < typename T > 7!EBH(,z
const Tp & operator ()( const T & r) const ~M7y*'oY
{ =F]FP5V
return t; +wN^c#~7
} ,y
2$cO_>
} ; 7BK0}sxO
jY%na
HaI
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 s/q7.y7n{
下面就可以修改holder的operator=了 p~BRh
,!Z*5
template < typename T > DRp~jW(\y
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 1DE<rKI
{ 2.l Z:VLN
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ^Eb.:}!D6
} $o0iLFIX/
d4>Z8FF|1B
同时也要修改assignment的operator() Ay5i+)MD
:y%/u%L
template < typename T2 > *n 6s.$p)%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } &eCa0s?mI
现在代码看起来就很一致了。 )4<__|52"1
W&&;:Fr
六. 问题2:链式操作 vd
0ljA
现在让我们来看看如何处理链式操作。 HkUWehVm
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。 pgI^4h
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。 Lvq>v0|
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。 GT }F9F~
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct jV>raCK_
B8V>NvE~o
template < typename T > 4E]l{"k<
struct result_1 aWWU4xe
{ mKL<<L[
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Li/O
} ; rV R1wsaL
Mc09ES
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: 5Iy;oZ
K]s[5
template < typename T > C":32_q
struct ref Gb#Cm]
{ >L;eO'D
typedef T & reference; }z _
} ; "$ Y_UJT7
template < typename T > jkiFLtB@V
struct ref < T &> bx{$Y_L+p
{ w)kNkD
typedef T & reference; @eD):Y
} ; tD(7^GuR
+cgSC5nR
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: RrX[|GLSJ
2ORNi,_I
template < typename T > <lw`
3aa(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const j9?}j#@
{ EQb7-vhg
return l(t) = r(t); 3DiLk=\~
} \W1,F6&j
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 R7$:@<:g
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 9[b<5Llt
Q[vJqkgT
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 wRcAX%n&
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: CFzNwgv]z
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Rzbj
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 b J=Jg~&
最后的布局是: TUV&vz{
Add ,SynnE68
/ \ -8:&>~4`
Divide 5 Ghx3EVqnx"
/ \ E^ P,*s
_1 3 q|o}+Vr
似乎一切都解决了?不。 DoJ\ q+
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。 J&[@}$N
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ,0*&OXt
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: t2F_uCr
8jd;JPz@\
template < typename Right > WG6FQAo^8
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const tZ=E')!\
Right & rt) const C${Vg{g7a
{ @R/07&lBR
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); {sihus#Q
} ?t/~lv
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 r@v,T8
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。 K`iv c N"
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。 i]Fp..`v~
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。 Q1O}ly}JS
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。 MBt9SXM
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? UR7g`/
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: BSYzC9h`
9N9L}k b
template < class Action > S{PJUAu
class picker : public Action {["\.ZS|
{ ?u/@PR\D
public : ??PC
k1X
picker( const Action & act) : Action(act) {} dx;Ysn0-
// all the operator overloaded o.w\l\
} ; A?CcHw
rT
<j&DK2u=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。 p2n0Z\2
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: @hJ%@(
|]J>R
template < typename Right > l>Z5 uSG
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const .z)%)PVV
{ w[9|cgCY
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Bg&i63XL$$
} /2UH=Q!x4E
:*ing
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 0y
7"SiFY
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。 -BRc8 /
bSfpbo4(
template < typename T > struct picker_maker 6|aKL[%6
{ jGXO\:sO
typedef picker < constant_t < T > > result; ofPHmh`
} ; UUzYbuS>&l
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > =NnNN'}
{ m@"QDMHk.
typedef picker < T > result; v@Gl|29_
} ; "}q@Y=
OK{quM5
下面总的结构就有了: tSVc|j
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。 qQA}Z*(m
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。 q*F{/N**
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 dRj| g
至此链式操作完美实现。 LV\DBDM
G B>QK
rs,2rSsg!
七. 问题3 +Vm}E0Ov
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。 2q3+0Et8
)Y2{_ bx4"
template < typename T1, typename T2 > Gnfd;.
(.
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4US"hexE<
{ #0ETY\}ZD
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); S{;sUGcu
} c0%"&a1]]V
f0X_fm_q
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: bn^{c
PV9pa/`@
template < typename T1, typename T2 > `S6x<J&T\/
struct result_2 Sx?ua<`:d
{ JHz
[ 7
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; pQshUm"_
} ; <\NY<QIwFw
B$b +Ymu
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? in~D
这个差事就留给了holder自己。 '+osf'&
)3~{L;q
V'kX)$
template < int Order > zUKmx y@
class holder; p 3 w
template <> ptDY3n~'
class holder < 1 > BRlT7grgq
{ y^%n'h{
public : ?YZ- P{rTS
template < typename T > Q^
pmQ
struct result_1 B[V+ND'(
{ U<CTubF
typedef T & result; p1&b!*o- &
} ; 7g%E`3)"
template < typename T1, typename T2 > Z?%zgqTXb
struct result_2 `&D|>tiz
{ (vb
SM}P
typedef T1 & result; }oL'8-y
} ; ~ ip,Nl
template < typename T > QV{}K
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const # a<Gxj
{ VH+%a<v"
return (T & )r; cIav&