一. 什么是Lambda 7*>S;$
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 9XoQO 9*Q
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, y3cf[Q
GT'7,+<?N
5Z9 ~
&U
! FR%QGn1
class filler 2T@L{ ql
{ JS/M~8+Et
public :
gmRT1T
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} n|x$vgb
} ; (/SGT$#8
N~):c2Kp<9
$Eio$TI
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: )_77>f%
OQ(D5GR:4
JAlU%n?R
(A29ZH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); aUW/1nQHa
_\dt?(m|
BrJ
o!@<
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 g/8.W
K DYYB6|
Gz>Lqd
K8
b+
二. 战前分析 l#D-q/k?
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。 2yN%~C?$
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 tu\mFHvlg
LBiowd[
Bx(yu'g|a
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); i`prv&
/* --------------------------------------------- */
RT%x&j
vector < int *> vp( 10 ); ,>;!%Ui/p
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); T H|?X0b
/* --------------------------------------------- */ Aoj6k\YX
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); mCM|&u
/* --------------------------------------------- */ )`w=qCn1 Y
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); GDF{Lf)/v
/* --------------------------------------------- */ 4s9c#nVlu
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Kw)KA^KF
/* --------------------------------------------- */ ;}LJh8_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); $#5klA
hM~eJv
}wG,BB %N
Fse['O~
看了之后,我们可以思考一些问题: a`#S|'oatC
1._1, _2是什么? D%-{q>F!gf
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 p ZtgIS(3
2._1 = 1是在做什么? !g8*r"[UJ
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 qgtn5]A
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 [4p=X=B
q0Xoj__c!A
c4\C[$
三. 动工 <P1rqM9^
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: c15r':.5
AM'gnP>
jo)6
%w]
W2`.RF^
template < typename T > Zd[OWF
class assignment e&0NK8+
{ DR@1z9 a
T value; d8E,o7$m
public : dx@QWTNE
assignment( const T & v) : value(v) {} o-z &7@3Hu
template < typename T2 > \3aTaT?..
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 78d_io}w
} ; L,?/'!xV
i.y=8GxY
W`rMtzL5
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 JO=1ivZl
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment X\\7$
B76 v}O:
vc8?I."?
|CIC$2u
class holder >.<ooWw
{ G 4qy*.
public : 7J|&U2}c
template < typename T > KzphNHd
assignment < T > operator = ( const T & t) const {U"^UuU]
{ x6;j<m5Mjx
return assignment < T > (t); *5OCqU+g
} 3~Qd)j"<
} ; j1q[c,
gg^1b77hT
c#lPc>0xb
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: f:wd&V
3A,rHYS
static holder _1; P`jL]x
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 \.#p_U5In
k6(r !mc
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .A6lj).:
而不用手动写一个函数对象。 bk<FL6z
z
{G3i0r
909md|9K3
o>?*X(+le
四. 问题分析 W3rl^M=r
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。 yGj.)$1},@
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 `/n M[
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 z;Q<F
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 2c(aO[%h9
下面我们可以对这几个问题进行分析。 -*a?<ES`
fuX'~$b.fA
五. 问题1:一致性 EJ84rSp
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?| |Au ]1}
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 U@F)2?
x\\~SGd
struct holder l= }~v
{ 6#e::GD
// 8K"+,s(%R
template < typename T > 3c3OG.H$8
T & operator ()( const T & r) const RA O`i>@
{ )G1P^WV4
return (T & )r; T=Z.TG|lIx
} mQ~:Y
} ; o<i,*y88
nV_8Ke
这样的话assignment也必须相应改动: sOU_j:A80;
MXD4|r(
template < typename Left, typename Right > "xJ 0 vlw
class assignment qe$^q
{ %A/_5;PZ/
Left l; vZj`|
Right r; {aYY85j
public : t.Nb?/
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ?sz)J3
template < typename T2 > `D$Jv N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Cq)IayD@
} ; "Z=5gj
;)AfB#:d
同时,holder的operator=也需要改动: IiBD?}
ufV!+$C)is
template < typename T > 8flOq"uK^
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const M<PIeKIEB
{ Y?J"wdWJNB
return assignment < holder, T > ( * this , t); yp.[HMRD
} 3*UR3!Z9
*
An*~-u9m
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。 M$4[)6Y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 KJ2Pb"s
q$(5Vd:
return l(rhs) = r; #>=j79~
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。 q#w8wH"
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Fs_]RfG
r}#\BbCv;7
template < typename Tp > Ian[LbCWB
class constant_t l5xCz=dw
{ mm[2wfTE
const Tp t; EtbnE*S
public : ]?O2:X
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} )a@k]#)Skm
template < typename T > P 3MhU;
const Tp & operator ()( const T & r) const <f@"HG
l
{ :cu#V
return t; ;9o;r)9~
} ,Ys"W x
} ; <f CKUc
I&n
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 =K'cM=WM6
下面就可以修改holder的operator=了 jls-@Wl
^7zu<lX
template < typename T > ['8!qr
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const <)+y=m\eJ
{ (=D&A<YX
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); DCqY|4Qc
} ,h"-
8-<:i
同时也要修改assignment的operator()
;7N{^"r
s0Z
uWVip
template < typename T2 > c'/l,k
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } pTIf@n6I
现在代码看起来就很一致了。 *m?/O}R
V#VN%{
六. 问题2:链式操作 45hF`b>%,
现在让我们来看看如何处理链式操作。 vfVj=DYj
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。 N F)~W#
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。 ;a:[8 Yi
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。 tcxcup%
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct vpmj||\-
]_N|L|]M
template < typename T > .^B*e6DAD
struct result_1 D3|I:Xm
{ M4as
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; |sJSN.8
} ; '7O3/GDK
t!RiU ZAo
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: kc0E%odF.v
,v"YqD+GC5
template < typename T > *}P~P$q%
struct ref 6j
~#[
{ AK@9?_D
typedef T & reference; 5oAK8I
} ; $|8!BOx8t
template < typename T > K6R.@BMN
struct ref < T &> :O uA)f
{ .9wk@C(Eh_
typedef T & reference; -B +4+&{T
} ; 5{g?,/(
]q4rlT.i
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 4<BjC[@~Z{
.mR8q+I6
template < typename T > A}l3cP;
`#
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const V~3a!-m\
{ D;*SnU(9L
return l(t) = r(t); h7Kzq{$
} P/eeC"
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。 e#8Q L
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 CY5Z{qiX
&K#M*B,*p
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 b2Fe<~S{
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: %J?xRv!
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 x|Bf-kc[#Q
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 *w\W/ Y
最后的布局是: YK'<NE3 4
Add g*_&
/ \ U%QI
a TN*
Divide 5 T.BW H2gRP
/ \ L L~%f
&_
_1 3 !*N@ZL&X
似乎一切都解决了?不。 +I|vzz`ZVr
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。 8OU\V5i[,q
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。 .Yn_*L+4*
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: yR{3!{r3(
L#sMSVC+
template < typename Right > '-~~-}= sJ
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const .W!i7
Right & rt) const n Dxz~8
{ H<,gU`&R
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); \_f(M|
} 3XV/Fb}!(i
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 b3,
_(;A!
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。 W^l-Y%a/o
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。 '5$b-x6 F
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 <0!):zraS
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 e(t\g^X
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? '~=SzO
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: X
l5 A
'h
M .mfw#*
template < class Action > 0\P1; ak%
class picker : public Action 83#mB:^R
{ u'BaKWPS
public : AoxA+.O
picker( const Action & act) : Action(act) {} !+v$)3u9
// all the operator overloaded MQ8J<A Pf-
} ; /gP+N2o+}
uVrd i?3
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。 C~/a-
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: k{-Cwo
4.t-i5
template < typename Right > Ysv"
6b}
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ;:NJCu G
{ eJ-nKkg~a
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9G2FsM|,
}
o66}yJzmD
N;`n@9BF
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 5nx1i
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。 0o&5]lEe
Qo|\-y-#
template < typename T > struct picker_maker qIT@g"%}t
{ u>vL/nI
typedef picker < constant_t < T > > result; 3u0RKLc\
} ; ;RlxD 4p
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > CU!Dhm/U
{ c7H^$_^ =
typedef picker < T > result; |`FY1NN
} ; FGzwhgy
wUJcmM;
下面总的结构就有了: 5|)W.*Q
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 x]j W<A
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 2GG2jky{/
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 }^\oCR@
至此链式操作完美实现。 ]6j{@z?{
f
_:A0
iWR)ke
七. 问题3 ))Za&S*<
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 (/$^uWj
apn*,7ps65
template < typename T1, typename T2 > 7zj{wp!
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const |DwZ{(R"W
{ 6!bsM"F
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); x4O~q0>:Le
} m]&SN z=
E{vbO/|kf
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: * v#o
@2#lI
template < typename T1, typename T2 > izR"+v
struct result_2 # f\rt
{ vP,n(reM
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; -'Mf\h8
} ; "J1
4C9u
Iga024KR
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? h2QmQ>y"
这个差事就留给了holder自己。 Dt1jW
-:rUw$3J
Ho]su?
template < int Order > w!XD/jN
class holder;
Fk;Rfqq
template <> Y4YJJYvD
class holder < 1 > |vC~HJpuv'
{ u%!@(eKM-
public : D6Wa.,r
template < typename T > K)P%;X
struct result_1 ji="DYtL
{ @}ZVtrz
typedef T & result; uw8f ~:LT
} ; \)Cl%Em
template < typename T1, typename T2 > 8?C5L8)
struct result_2 Ts x>&W