一. 什么是Lambda e4DMO*6
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 8f|98T"
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, zEj#arSE4
?E6^!4=,
+1QK}H~
;r.EC}>m
class filler Lkn4<'un
{ -jB3L:
public : z8E1 m"
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ];1R&:t
} ; &kzj?xK=(j
A
(okv
c+g@Z"es
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: `PgdJrE
k[%aCGo
lNz]HiD
6Z?Su(s(5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Rb EKP(uw
\9/RAY_G
YHB9mZi
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 1'JD =
0OnV0SIL
vQ1 v#Z
QTH7grB2v
二. 战前分析 |0g{"}%
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。 2}vNSQvG
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 d$G}iJ8$mp
1y(UgEg
\F{:5,Du)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); :5b0np!
/* --------------------------------------------- */ ~E)fpGJ
vector < int *> vp( 10 ); 9%tobo@J~n
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ?s2^zT
/* --------------------------------------------- */ Su7bm1
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); LHkQ'O0
/* --------------------------------------------- */ =^tA_AxVw
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~e-z,:Af
/* --------------------------------------------- */ UG](go't
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); u -3:k
/* --------------------------------------------- */ 5Sva}9H
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 36vgX=}
cj$d=k~
F9a^ED0l\
r^1+cwy/7P
看了之后,我们可以思考一些问题: 02=ls V!U
1._1, _2是什么? r@kP*
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。 |ZiC`Nt
2._1 = 1是在做什么? %S \8.
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。 j.%K_h?V5
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
C0w;MG)
?6"{!s{v
%\Wf^6Y^
三. 动工 -oP'4QVb
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \+ 0k+B4a
=5x&8i
Lja 7
%JyXbv3m,
template < typename T > {<=#*qx[Y!
class assignment />44]A<
{ ,|h)bg7.
T value; 2VGg 6%
public : U*)m',
assignment( const T & v) : value(v) {} \r{W
template < typename T2 > _S`o1^Ad
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } CU)|-*uiK
} ; 3\:y8|
'hqBo|
&JP-O60
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 5Qh?>n>*
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment }`\/f
bB}5U@G|
`5~3G2T
rsXq- Pq*
class holder p B;3bc
{ OI}cs2m
public : &(N+.T5cp
template < typename T > 8|%^3O 0X
assignment < T > operator = ( const T & t) const 8}s.Fg@tE
{ Qf $|_&|
return assignment < T > (t); x@Hd^xH`
} .2)
=vf'd
} ; 04U")-\O
N<(.%<!
tjT>VwqH
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: /Q{P3:k
;j8)KC
static holder _1; 3?n>yS
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 w= P9FxB
L+}n@B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Iw<i@=V
而不用手动写一个函数对象。 tptN6Isuh
OTDg5:>
H1n1-!%d
NMOut@
四. 问题分析 QPtGdd
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 }g7]?Ee
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 n\z,/'d"
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Z|"p*5O,
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 j _L@U2i
下面我们可以对这几个问题进行分析。 wV\gj~U;P
d;mx<i=/
五. 问题1:一致性 kn"(mJe$
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?| xg_Df,
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 6GPp>X
Q6'x\
struct holder rgmF: C
{ c(;a=n(E#
// DwHF[]v'
template < typename T > ,Uhb
T & operator ()( const T & r) const >9e(.6&2XZ
{ 29CINC
return (T & )r; a]
=
} jO*l3:!~ \
} ; UhA"nt0
@c9^q>Uv
这样的话assignment也必须相应改动: R218(8S
B/~%h |
template < typename Left, typename Right > &`0/CV
class assignment \.YS%"Vz
{ )WT>@
Left l; %1}K""/
Right r; D(-yjY8aG
public : 4SPy28<f
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} h.O$]:N
template < typename T2 > =0uAE7q(9
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } !$N<ds.
} ; EnOU?D
W@|6nPm
同时,holder的operator=也需要改动: +)o}c"P!
`\Hf]b
template < typename T > A+hT3;lp
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const (jU6GJRP
{ 0cK{
return assignment < holder, T > ( * this , t); E|'h]NY
} M@0;B30L
)jrV#/m9
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。 /|6;Z}2
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 g~(E>6Y
2^8%>,
return l(rhs) = r; jReXyRmo({
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。 zg-2C>(6a
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: jck}" N
}!IL]0q
template < typename Tp > ]Oq[gBL"A
class constant_t .9Y)AtJTS
{ ~3uP6\F
const Tp t; 5j~$Mj`
public : C8z{XSo
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} da)NK!
template < typename T > lz1wO5%h
const Tp & operator ()( const T & r) const "*G.EiLq
{ mZd ,
9
return t; 4Y[1aQ(%
} (}}S9 K
} ; W`c'=c
M Y|w
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 yX~v-N!X
下面就可以修改holder的operator=了 s%<eD
[l,Ei?
template < typename T > 3}e%[AKh
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ^o7;c [E`
{ M)SEn/T-
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 8#vc(04(
} :9k Ty:
fW?o@vlO
同时也要修改assignment的operator() ..rOsg{
"~'b
template < typename T2 > g) -bW+]q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } _3ZYtmn.
现在代码看起来就很一致了。 >$4d7.^hb/
!"Oh36
六. 问题2:链式操作 :0h_K
现在让我们来看看如何处理链式操作。 G37U6PuZi
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。 '3uVkp 6tF
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。 =ZqT3_
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。 ~?(N
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct rS;Dmm
7Hs%Cc"
template < typename T > EAM5{Nc
struct result_1 fk&8]tK4
{ 1')%`~
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; '3g[]M@M
} ; "s{5O>
<u2 }i<#
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: NU0g07"
F]<Xv"
template < typename T > kBffF@{
struct ref ?nL.w
{ d@qsdYu-*
typedef T & reference; *6VF
$/rP
} ; 8SGo9[U2
template < typename T > &G-!qxe
struct ref < T &> .X;3,D[w
{ _fKou2$yz
typedef T & reference; MjU6/pO}L
} ; _ jsK}- \
.hifsB~
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 6ZP"p<xX
w 47tgPPk
template < typename T > `G}TG(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const (=om,g}
{ _WRFsDZ'
return l(t) = r(t); B\XKw'
} x U4 +|d
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。 P(f0R8BE
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 NGbG4-w-
H5Io{B%=
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 y2^Y/)
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 2%_vXo=I
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 WHj'dodS
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 tIuCct-
最后的布局是: .?loO3 m
Add :s7m4!EF
/ \ \hx1o\
Divide 5 &__es{;P
/ \ r/u A.Aou^
_1 3 y#3j`. $3p
似乎一切都解决了?不。 ?k(7 LX0j
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 ;;#qmGoE
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 )% ~OH
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: a m|F?|1
T[g[&K1Y
template < typename Right > ~=uWD&5B4
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ,Vt/(x-
Right & rt) const 1ng!G 7g
{ ?j"KV_
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?B2] -+Y
} E2Q[ZoVS
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 {?:X8&Sf
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 e4 >_v('
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 .K1FKC$C
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。 8@MV%MVy$
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。 vH :LQ!2
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?
zem8G2#c
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: "eB$k40-
uM_wjP
template < class Action > @`q:IIgW
class picker : public Action h4T5+~rw
{ lPw%ErG
public : u>2
l7PA|
picker( const Action & act) : Action(act) {} nU7>uU
// all the operator overloaded .y!<t}
} ; 9_Be0xgJ3^
2AT5
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 H|3:6x
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: Uq^#r iq
zh8nc%X{
template < typename Right > Vex{.Vh,"
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Cv6'`",Yzm
{ ;DFSzbF`
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 21K>`d\
} )48QBz?
TJK[ev};S
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > O$_)G\\\m
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。 ]>=}*=
u{['<r;I
template < typename T > struct picker_maker RI(DXWM|h
{ *U&0<{|T
typedef picker < constant_t < T > > result; :~Wrf8UQ
} ; L^@'q6*}
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > oX30VfT
{ ,!#*GZ.ix
typedef picker < T > result; vq(0OPj8r[
} ; aX)I3^ar
,JAx
?Xb
下面总的结构就有了: 6-$jkto
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。 _>(^tCo
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。 =;Rtdy/Yn%
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 QbkLdM,S*
至此链式操作完美实现。 {.C!i{|
JTSlWq4
RP[{4Q8
七. 问题3
e2s]{obf
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。 HK,cJahq
}wr{W:j
template < typename T1, typename T2 > g{OwuAC_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const z> Rsi
{ j*so9M6|c
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); HN=V"a
} Dfg2`l
oHd FMD@
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: 7}f}$1
2Rw&C6("w
template < typename T1, typename T2 > sFT.Oxg<
struct result_2 \<JSkr[h!"
{ >s>1[W @*
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 52:HNA\E/
} ; :61Tun
EMwS1~3dD
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? !h"Kq>9T
这个差事就留给了holder自己。 ,J,/."Y
1+szG1U=
=RA /
template < int Order > DS+}UO
class holder; :ubV };
template <> 4>F'oqFF
class holder < 1 > 0m%|U'm|j
{ gd%NkxmW
public : q)X$^oE!6
template < typename T > OK[T3/v,
struct result_1 ^t` k0<
{ -lbm*
-(
typedef T & result; XG{{ 2f
} ; ALrw\qV
template < typename T1, typename T2 > D!{Y$;
struct result_2 "& ])lz[u
{ CR8/Ke
typedef T1 & result; 1"zDin!A
} ; _4"mAPt
template < typename T > }Lc-7[/
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const nzd2zY>V
{ Zn&,
t &z
return (T & )r; Sg&UagBj
} ^o^H3m
template < typename T1, typename T2 > 6t>.[Y"v
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const D>/0v8
{ LLk(l#K*
return (T1 & )r1; <sWprR
} h1B? 8pD
} ; qaiNz S@q
&+Z,hs9%
template <> !\zWF
class holder < 2 > kpJ@M%46
{ UtPLI al
public : !}YAdZJ
template < typename T > %`>nS@1zp
struct result_1 ?I6fye7
{ ?k]2*}bz
typedef T & result; >zw.GwN|
} ; h].<t&
template < typename T1, typename T2 > "$#xK |t
struct result_2 ;YA(|h<
{ Bp_$.!Qy
typedef T2 & result; tjIl-IQ
} ; a|%J=k>>
template < typename T > 9>l*lCA
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Ov5"
{ l1T m`7}
return (T & )r; Huy5-[)15
} k.5u
template < typename T1, typename T2 > xQ}pu2@d
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const SX<` {x&L
{ p`b"-[93
return (T2 & )r2; U &C!}
} VPO
N-{=`
} ; C"6?bg5N
kE:nsXI
)
< Wfx+F
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。
@G8lr
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ;XF:\<+
首先 assignment::operator(int, int)被调用: cJ{ Nh;"
I;e=0!9U
return l(i, j) = r(i, j); \n$u)Xj~6^
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) h]Wr [v
f$+,HB
return ( int & )i; 9{RB{<Se!
return ( int & )j; }p}[j t
最后执行i = j; }=%oX}[
可见,参数被正确的选择了。 `P@T$bC
#bUXgn>
YM1'L\^
TT2d81I3m
F20E_2;@@
八. 中期总结 [<2<Y
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: P^A!.}d
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Kf>A\l^X7
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 C>-aIz!y
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor cv?06x{
Yk)."r&