一. 什么是Lambda Fd*8N8Pi
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 TIvRhbu
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, }MUn/ [x
'U'yC2BI n
#nh|=X
FZ8b7nJ)4m
class filler B:7mpSnEQ
{ T6ENtp
public : )?wJF<[_#
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ;2Q~0a|
} ; vX ] Gf4,
sUE?v9
&>H!}"Yk
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: !Ra*)b"
mS0udHod
,]T2$?|
'w1YFdW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); h,"4SSL
^eoLAL
s=[h?kB
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ,!U=|c"k)
&IlU|4`R%
`Qeg
VE8;sGaJ
二. 战前分析 0@AAulRl
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 `=7j$#6U
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 ;j2vHU#q-
NzNA>[$[
kY'T{Sm1^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); LiKxq=K
/* --------------------------------------------- */ `mN4_\]
vector < int *> vp( 10 ); \rPbK+G.
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); O(_[ayE
/* --------------------------------------------- */ &5:tn=E
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); B-l'vVx
/* --------------------------------------------- */ Uk\Id~xLV
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); H<1WbM:w
/* --------------------------------------------- */ S6[v;{xJ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); >|;aIa@9
/* --------------------------------------------- */ EAeqLtFqs
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); |<O9Sb_
t:fFU1x
-1J[n0O.
+ T8B:
看了之后,我们可以思考一些问题: uw2hMt (N
1._1, _2是什么? D.mHIsX6\
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。 /JT#^Y
2._1 = 1是在做什么? >a}f{\Q
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。 @/k@WhFZ
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。 5ms""LD/
S%`0'lzzj
(T2m"Yi:
三. 动工 XQS9,Hl
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Zv#Ll@v
!A%<#Gjt
rylzcN9RM$
ciMzf$+G$
template < typename T > K#"O
a
h
class assignment HF(KN{0.B
{ 3d|9t9v
T value; YQY%M>F@d%
public : 3$X'Y]5a
assignment( const T & v) : value(v) {} Qf@
template < typename T2 > '}$Dgp6e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } N$[{8yil^w
} ; \<g*8?yFs
p}cw{
y '!m4-
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 .?l\g-;=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment :>=\. \
Q1+dCCY#F
v;)..X30
@9"J|}
class holder y:6; LZ9[
{ _8E/)M
public : Qubp9C#r
template < typename T > ^#sU*trr
assignment < T > operator = ( const T & t) const Dtj&W<NXo
{ G.UI|r/Kz
return assignment < T > (t); gg8Uo G
} ghRVso(
} ; F>rH^F
e2A-;4?_
,2W8=ON
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: rvw)-=qR[
hvaSH69*m
static holder _1; 5;HH4?]p
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Gy(=706
87YyDWTn
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); )+6MK(<"
而不用手动写一个函数对象。 ->V<DZK
y`=]T>X&x
S;-
LIv
ctGL-kp
四. 问题分析 VTH>
o>g
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。 )>Yu!8i
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。 jB(|";G
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 9B9(8PVG
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 5^x1cUB]
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Z+=@<i''
5@BBoeG
五. 问题1:一致性 ?[lV-
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?| <.? jc%
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 q*>&^V $M
RVQh2'w
struct holder J_4!2v!6e
{ FIsyiSY<j
// >j QWn@
template < typename T > J7g8D{4
T & operator ()( const T & r) const v'3J.?N
{ .yEBOMNZ
return (T & )r; 7yh/BZ1
} @qYp>|AF
} ; [;J>bi;3N
~
(jKz}'~U
这样的话assignment也必须相应改动: MpR2]k#n<
HKUn`ng
template < typename Left, typename Right > &:`U&06q
class assignment (P:<t6;+
{ #n8IZ3+
Left l; $F5 b
Right r; w}YlVete
public : Nb'''W-iu
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} H|HYo\@F#
template < typename T2 > av|g}xnj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ?snp8W-WB
} ; \}|o1Xh2
Sxh]R+Xb
同时,holder的operator=也需要改动: Iepsz
r<d_[?1N
template < typename T > ys kO
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const %Da1(bBh
{ (O(}p~s
return assignment < holder, T > ( * this , t); jr:7?8cH0L
} _y}
T/I9
@/ohg0
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。 P&^;656r
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 wLnf@&jQ%
yL-YzF2
return l(rhs) = r; G\+L~t
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,iM]
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: QvKh,rBFVG
t,+nQ9
template < typename Tp > )u`[6,d
class constant_t `M^=
D&Bf
{ y1+*6|
const Tp t; z?*w8kU&>
public : 7\ s"o&G
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ?b>,9A.Z
template < typename T > IHv[v*4:
const Tp & operator ()( const T & r) const )x=1]T>v"'
{ Evg_q>
return t; Eu@huN*/
} S(*sw
0O@+
} ; %_%Q8,W
.Z
`av n
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 hRD=Y<>A
下面就可以修改holder的operator=了 U!*M*s
Xx0hc 8qd
template < typename T > U"^kH|
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const #PH~1`vl
{ IS &ZqE(`e
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); NUWDc]@J*
} ]\hSI){
NRIG 1v>
同时也要修改assignment的operator() 9CWezI+
)9"_J9G
template < typename T2 > r\-uJ~8N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } b((M)Gz
现在代码看起来就很一致了。 Gsq00j
&<Z
2Ay*kmW
六. 问题2:链式操作 tnN.:%mZ
现在让我们来看看如何处理链式操作。 >\P@^ h]
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。 wc}5m
Hs
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。 E%,^Yvh/
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。 !W}9no
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct "AsKlKz{B
#Oc]
@
template < typename T > j2StXq3
struct result_1 7`zHX&-W
{ ?IqQ-C)6D
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; OuID%p"O
} ; Y4`}y-'d
2q=AEv/
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: v,-HU&/*B
d\|?-hY`[
template < typename T > JP!~,mdS
struct ref R6kD=JY/!
{ r") `Ph@yp
typedef T & reference; K<SyC54
} ; ( u\._Gwsx
template < typename T > %InA+5s`
struct ref < T &> c4^ks&)'
{ |@
s,XS
typedef T & reference; C.Kh[V\Ut
} ; i]YV {
qG?Qc (
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 8QLj["
pz\
+U7
template < typename T > IoQEtA
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const j7$e28|_n
{
!sQY&*
return l(t) = r(t); ZojIR\F^
} j<VFn~*_
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。 v1+3}5b'uF
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 wsZF;8u t
\IV1j)I"u
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 H8Bs<2
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: `>f6)C-
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 (:TjoXXiY
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 j,lT>/
最后的布局是: S1Wj8P-
Add .oYl-.E>&
/ \ :8=i kwQ
Divide 5 &_dt>.
/ \ c[wla<dO*
_1 3 aeFe!`F
似乎一切都解决了?不。 fk6%XO
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。 A+ZK4]xb
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。 la0BiLzb]
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: ([T>.s
"d#Y}@*~o
template < typename Right > ;c-(ObSm
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const K6v6ynp/
Right & rt) const &C,'x4c"
{ ZM!CaR
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9kN}c<o
} B(LWdap~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 LtWP0@JA
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。 S;3R S;
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。 /YP{,#p
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。 BP'36?=Zo
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。 -3t7*
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? \qdHX
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: F\JM\{&F
#>b3"[ |
template < class Action > Neq+16*u
class picker : public Action I5 o)_nc
{ TJ_$vI
public : X^}I-M%{m
picker( const Action & act) : Action(act) {} Z&Pg"a?\
// all the operator overloaded bH7X'%r
} ; E4`N-3
]/[FR 5>
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 TyD4|| %
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: !"HO]3-o
J*yf2&lI5
template < typename Right > R]}}$R`j
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ]i&6c
{ dt \TQJc~
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); twL3\
}N/B
} <k eVrCR
2h|MXI\g
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > b#uL?f
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|+k3
rq8K_zp
template < typename T > struct picker_maker <Swt);
{ Qi,j+xBp
typedef picker < constant_t < T > > result; [-65PC4aN
} ; iV5yJF{ZH
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > tvkb~
{ B6u/mo<
typedef picker < T > result; \rx3aJl
} ; 1->dMm}G[
jqWu
下面总的结构就有了: *g:4e3Iy
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。 Fsmycr!R
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。 E
]A#Uy
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 lGV0*Cji
至此链式操作完美实现。 /f:dv?!km
=)M/@T
A>vBQN
七. 问题3 UldXYtGe
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。 ''q@>
O,+1<.;+
template < typename T1, typename T2 > wj*,U~syB
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 04LI]'
{ 0[RL>;D:
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Ye"o6_U"
} Eza`Z`
^el
Sz%tJD..
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: **w!CaqvY
s`M9
template < typename T1, typename T2 > aXQnZ+2e^R
struct result_2 d?s<2RkPT
{ *? 5*m+
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ;X8yFq
} ; EY^1Y3D w0
bx#>BK!
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? F |d\k Q
这个差事就留给了holder自己。 +DW~BS3
j-4VB_N@
#ZJ _T`l
template < int Order > h%o%fH&F!
class holder; 3AHlSX
template <> G! ]k#.^A,
class holder < 1 > K#%&0D!
{ <Y*+|T+&d
public : :=}US}H$
template < typename T > `>gd&u
struct result_1 j>*R]mr6
{ k52/w)Ro,$
typedef T & result; )bS~1n_0
} ; @GBxL*e
template < typename T1, typename T2 > Sc>,lIM
struct result_2 S'|,oUWDb
{ bV(Y`g
typedef T1 & result; ujDd1Bxf?
} ; C\S3Gs
template < typename T > T_i:}ul
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const $*SW8'],`
{ >sfRI]OG
return (T & )r; whmdcVh.
} Vr )<\h
template < typename T1, typename T2 > 4~k\j
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 6DM$g=/'
{ d:ARf
return (T1 & )r1; O-ew%@_
} H2&@shOOQJ
} ; LM$W*
I(]}XZq
template <> J@^8ko
class holder < 2 > =+/eLKG
{ &