一. 什么是Lambda Dz~0(
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 jy!]MAP#Gk
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, c6xr[tc%
_'!?fA
03fOm
?l9sj]^w
class filler SF:98#pg
{ TRi#
public : #AGO~#aK
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} a 20w.6F
} ; {zcG%b WJ
]%6%rq%9C
vMp=\U-~^
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: >`x|E-X"
MeBTc&S<
cn} CI
daKZ*B|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); *U1*/Q.
6)^*DJy
QPf\lN/$4d
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Y5GN7.
u*
pQVU
eV?%3h.
V4Rs
二. 战前分析 N9/k`ZGC
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。 g4WmUV#wp
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 $=plAi
j>JBZ#g
yT/rH- j;5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]x
metv|7
/* --------------------------------------------- */ VjWJx^ZL#
vector < int *> vp( 10 ); uN<=v&]q
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); t[!,puZc#
/* --------------------------------------------- */ i`@cVYsL
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); @M\JzV4 A[
/* --------------------------------------------- */ w~B1TfqNo
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); {O _X/y~
/* --------------------------------------------- */ *I?-A(e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); )$^xbC#j`3
/* --------------------------------------------- */ q,fp
DNo
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 0t!ZMH
O;VqrO
]CP5s5
|5;,]lbt
看了之后,我们可以思考一些问题: i%133in
1._1, _2是什么? vltE2mb
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。 ^r}Uu~A>
2._1 = 1是在做什么? 49E|
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。 Q3ZGN1aX<
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。 [UkcG9
]Qe~|9I
bP$e1I3`
三. 动工 Y_*KAr'{P
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 9Y2u/|!.3
60~*$`
{0j,U\ kb
6p;Pf9
f
template < typename T > /w dvm4
class assignment lg-`zV3
{ D`n<!"xg@$
T value; w:B&8I(n}w
public : C|H`.|Q
assignment( const T & v) : value(v) {} X ([^i;mr
template < typename T2 > bL<H$DB6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } !pe[H*Cy
} ; 2pHR $GZ2
ZD50-w;
b7xOm"X,N
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 dT1UYG}>j
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ly!3~W
~+ae68{p
Fc=F2M o?
eiOAbO#U
class holder SN[yC
{ QN;NuDHN
public : ?>=vKU5
template < typename T > \Q`#E'?
assignment < T > operator = ( const T & t) const *>iJ=H
{ 9[{q5
return assignment < T > (t); fX:G;vYn
} \py&v5J)s!
} ; mFpj@=^_G
vRmzjd~
lh0G/8+C
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: zxv y&
V[44aN
static holder _1; P'5Lu
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 bMqS:+
*JW.ca}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); f:t5`c.
而不用手动写一个函数对象。 M+=q"#&
('_S1?y
@ bvWqMa
u 8~5e
四. 问题分析 bnp:J|(ld
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 W70BRXe04D
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 >]bS"S
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 }q/[\3
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 F
j"]C.6B.
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2JHF*zvO-
[di&N!Ao
五. 问题1:一致性 ^> d"D
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| IgF#f%|Q
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 )6he;+
Mm^6*L]
struct holder YBk* CW9
{ j1@PfKh
// H#`&!p
template < typename T > ~r]$(V n
T & operator ()( const T & r) const P_N},Xry
{ No/D"S#
return (T & )r; NjA\*M9
} ^\PNjj*C i
} ; y*sqnzgF
X`}4=>
这样的话assignment也必须相应改动: jAFJ?L(
H:
;S1D
template < typename Left, typename Right > 6;\Tps;A
class assignment sr.!EQ ]
{ H,1Iz@W1
Left l; Uv3Fe%>
Right r; 1w?DSHe
public : ]n|lHZR
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 4vPKDd
template < typename T2 > x8h=3e$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } BG@[m
} ; r%oXO]X
!L'O")!3
同时,holder的operator=也需要改动: .`N&,&H
9O#?r82
template < typename T > V^p XbDRl
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const o,y{fv:ki
{ E@ !~q
return assignment < holder, T > ( * this , t); T`^LWc"
} LfS]m>>e
xXc3#n
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。 A&;Pt/#'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 _;5N@2?
a{8g9a4
return l(rhs) = r; N u9+b"Wr
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。 0f|nI8,z
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: umj5M5oe3
r*s)T`T}}
template < typename Tp > ,!g%`@u
class constant_t >5=uq
_QY
{ 8Ow0A
const Tp t; HTUY|^^D
public : _LSf
)
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ns[Q %_
template < typename T > n*fsdo~
const Tp & operator ()( const T & r) const '@+a]kCMev
{ :Qra9;
Y
return t; Kf7v_T/
} k%?A=h
} ; !NFP=m1
v5o@ls
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 %phv <AW
下面就可以修改holder的operator=了 JmK[7t
gcfEJN4'
template < typename T > ^aG=vXK`b
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const x,SzZ)l-9
{ #/Qe7:l
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); u?n{r
} l6EDl0~r
c,I|O'
&k
同时也要修改assignment的operator() SNK
_
_mw(~r8R
template < typename T2 > KzC`*U[
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 4h[^!up.7
现在代码看起来就很一致了。 ,HQaS9vBQ
"xV9$m>
六. 问题2:链式操作 u*$ 1e
现在让我们来看看如何处理链式操作。 `o~9a N
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。 isP4*g&%x
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。 j.@TPf*
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。 Y"&c .
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ?g$dz?^CK&
Dab1^H!KT
template < typename T > 8HyK;+ZkVd
struct result_1 )'RLK4l
{ HEjrat;5
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; G*|2qX"o
} ; huau(s0um
MyOdWD&7
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: t3 q0|S
ega< {t
template < typename T > h.6yI
struct ref N*Owfr1N
{ R9->.eE
typedef T & reference; 7
C5m#e3
} ; EnrRnVB
template < typename T > /EOtK|E
struct ref < T &> l#,WMu&
{ QMzBx*g(
typedef T & reference; Xa2QtJq
} ; m(Cn'@i`"0
zX!zG<<K
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: CW Y'q
I hvL2zB
template < typename T > 3`&2-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ]OoqU-q
{ kg$<^:uX
return l(t) = r(t); FxC@KZG
} %cD7}o:u
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。 {O6f1LuH
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ~PUz/^^
s
\)ac,i@fy
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 HzM^Zn57%
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: B_[^<2_
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 YXJjqH3
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 k[N46=u
最后的布局是: r}P{opn$t
Add n-dO |3,
/ \ GP uAIoBo
Divide 5 #`/KF_a3\>
/ \ 1dOVH7
_1 3 zQ}:_
似乎一切都解决了?不。 m5sgcxt/
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 DL2gui3
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 vcAs!ls+
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: `,&h!h((
VuFH
>8n
template < typename Right > 5>7ECe*
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const @3{'!#/
Right & rt) const |-I[{"6q$@
{ LI?rz<H!D
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); `jJ5us
} X#(?V[F]
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 =_8
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!k,]90Ko
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。 ?T70C9
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。 zHr1FxD
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。 Q5iuK#/
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? )2z
(l-$.
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: 0,nDyTS^
;|b
D@%@
template < class Action > S(Xab_DT)H
class picker : public Action dV8mI,h
{ ]E88zWDY`
public : 8OZc:/
picker( const Action & act) : Action(act) {} `R fhxzI
// all the operator overloaded 4W~pAruwr
} ; Uw5z]Jck
)`^t,x<S
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 (D{Fln\
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: Q! ]
O(h4;'/E
template < typename Right > Nj qUUkc
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const uE-~7Q(@
{ w:Tz&$&Y$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); m
,)4k&d
} q/?#+d
;_,=
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ykxjT@[
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。 0CQ\e1S,#
AIF?+i%H}
template < typename T > struct picker_maker 'AE)&56
{ a [iC!F2
typedef picker < constant_t < T > > result; "ZNiTND
} ; 1[a;2xA~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 7Nw7a;h
{ u} JL*}Q
typedef picker < T > result; UW<V(6P
} ;
RN'|./N
+T+f``RcK
下面总的结构就有了: l];,)ddD9
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。 OnC|9
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。 B5IS-d
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 DHW;*A-
至此链式操作完美实现。 !%_Z>a
}L{en
V{O,O,*
七. 问题3 0iinr:=u
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。 l!<Nw8+U
} '. l'%
template < typename T1, typename T2 > (!&cfabL
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const h-=3b
{ >;dMumX
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); !iWPldn&]
} G)';ucs:,
{j+w|;dZF
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: Ka&[
Oz<w
G,e>dp_cPu
template < typename T1, typename T2 > b-'41d}Hn
struct result_2 Y'&A~/Adf
{ p3`'i
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; L"&j(|{
} ; D+]#qS1q
h!?7I=p~#
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? 3XYCtp8
这个差事就留给了holder自己。 ^I@1y}xi
Eg-3GkC
~C6d5\
template < int Order > V~tq
_
class holder; tI|?k(D
template <> 8Gzc3
class holder < 1 > 3k py3z[%
{ %| }obiV)
public : 8rAOs\ys
template < typename T > Q<3=s6@T
struct result_1 !Low%rP
{ s9>f5u?dK
typedef T & result; abh='5H|^|
} ; O l1[ o
template < typename T1, typename T2 > ATp7:Q
struct result_2 dR<