一. 什么是Lambda ui"3ak+F
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 0x11
vr!
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, j}BHj.YuP
{ F'Kk\f%:
?\U!huu
yJsH=5A
class filler &f>eQS=(
{ l{:a1^[>y
public : j7MO'RX`&
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Xt{*N-v\
} ; 3;7q`
dLvJh#`o
< AI;6/
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: f`8OM}un&
'JdkUhq1V
WKrX,GF
rZojY}dWJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 6cdMS[_SD(
?sBh=Ds
B/J>9||g
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 hH->%*
>tG+?Y'{
ckjrk
,;<RW]r-P
二. 战前分析 sBK <zR
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。 7
uMd
ZpD
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 YB)3X[R+0
E15vq6 DKF
~gI{\iNF/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); RGIoI]_
/* --------------------------------------------- */ BPqGJ7@
vector < int *> vp( 10 ); [ U8$HQ+x
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 1z*kc)=JF8
/* --------------------------------------------- */ b?Pj< tA
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); -h-oMqgu(
/* --------------------------------------------- */ sVoW=4V8
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); :Pq.,s
/* --------------------------------------------- */ `W `0Fwu9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Q<6P. PTya
/* --------------------------------------------- */ ?X9]HlH
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); EPX8Wwf
H@l}[hkP
F_ 7H!F
8ga_pNe
看了之后,我们可以思考一些问题: xMs]Hs
1._1, _2是什么?
/u`3VOn
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。 TFR(
4W
2._1 = 1是在做什么? 9B dt (}0A
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。 r]P, 9
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。 $P:
O/O=>
|<`.fOxJP
Aaw(Ed
三. 动工 bm}6{28R
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: `7+j0kV)
9
L?;FY)_
tZ2K$!/B
2 ?|gnbE:
template < typename T > td{O}\s7D
class assignment ~%#mK:+
{ | A:@&|
T value; _7kM]">j
public : .wK1El{bf
assignment( const T & v) : value(v) {} rS*$rQCr=
template < typename T2 > [m'CR 4(|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 2.Yi(r
} ; [U\(G
p"`%
d"~(T:=r
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 rrs"N3!aT
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment w7-WUvxl
kw,$NK'
JmOW~W
N;HIsOT}t
class holder fT
Y/4(
{ !q4x~G0d
public : %do1i W
template < typename T > h4fLl3%H
assignment < T > operator = ( const T & t) const pKJK9@Ad
{ LD (C\
return assignment < T > (t); DFe;4BdC
} TSL9ax4j
} ; Psa@@'w
znZ7*S >6\
Di=9mHC
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: ~fzuwz
dl l%4Sd
static holder _1; {<w
+3Va
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 BH@b1}
TSo:7&|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); (E($3t8
而不用手动写一个函数对象。 tkuc/Z/@
Xt,X_o2m|]
#Ogt(5Sd
|$hgT K[L
四. 问题分析
ErbSl
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。 ,#'7)M D8
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。 ;RN8\re
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 m-1?\bs
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ua
8m;>R
下面我们可以对这几个问题进行分析。 FUeq
\Wuo
*+lsZ8'^C
五. 问题1:一致性 lr('k`KOQ
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?| LxJ6M/".
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 O|v
(58A
J(h3]J/Yw
struct holder Q
e1oT)
{ #Ws53mT
// 6E9N(kFYs
template < typename T > 5M?mYNQR/H
T & operator ()( const T & r) const A['uD<4b
{ ,9ml>ji`=
return (T & )r; 73DlRt
*
} 8?jxDW
a
} ; bY#;E;'7
_|n=cC4Qu
这样的话assignment也必须相应改动: \3{3ly~L
c<qe[iyt/
template < typename Left, typename Right > q#1X[A()
class assignment RR>G]#k
{ 4nX(:K}>
Left l; %"7WXOv&z
Right r; n@B{vyy
public : qw:9zYG}qW
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} rB]W,8~%
template < typename T2 > *Wyl2op6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 0#|7U_n
} ; t*+! n.p
t.3\/
同时,holder的operator=也需要改动: 0 K3Hf^>m
3@X7YgILU
template < typename T > [V< 1_zqt
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 5~\Kj#PBx
{ ]Ti $ztJ
return assignment < holder, T > ( * this , t); cS~!8`Fwy
} 1*R_"#
1=TSJ2{9
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。 E\e]K
!
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 =jIxI,
_'*DT=H'U
return l(rhs) = r; 2oNV=b[
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。 u
2lXd'
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: +#v4B?NR
7t4v~'h;5e
template < typename Tp > w~v<v&
class constant_t ggCr-
{ T <A
const Tp t; ^_w*XV
public : j6X LyeG7
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} j:?N!*r=
template < typename T > fu>Qi)@6a1
const Tp & operator ()( const T & r) const Fg@ ACv'@
{ X\G)81Q.S
return t; wF;B@
} Z}f^qc+
} ; XIN5a~[z*
Dh8(HiXf:
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 -M`D>
下面就可以修改holder的operator=了 XWF7#xM
Rkr^Z?/GH
template < typename T > oQBiPN+v.3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 1,u{&%yL"w
{ D5[VK`4Z
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); n` #+L~X
} G"f du(.@
W%zmD Hk~
同时也要修改assignment的operator() [0{wA9g
fB[\("+
template < typename T2 > s;>VeD)*)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } :xN8R^(
现在代码看起来就很一致了。 6BPAux.]
Cji#?!Ra?
六. 问题2:链式操作 R8{e&nPE
现在让我们来看看如何处理链式操作。 b60[({A\s&
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。 <"NyC?b+G
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。 _s@bz|yqw
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。 (l;C%O7*
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 09x+Tko9;*
\v s%U}IrO
template < typename T > !SN WB
struct result_1 u
mqKFM$
{ wjg}[R@!
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; V4oak!}?
} ; d.b?!kn
dWIZ37w+D
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: |3"NwM>
$OT}`Te~
template < typename T > /9TL&_A-T
struct ref iZu:uMoc
{ lSs^A@s
typedef T & reference; 8q{1E];:q
} ; ]#M/$?!]g2
template < typename T > J,`_,T
struct ref < T &> F42TKPN^uu
{ ^VC7C~NZ!M
typedef T & reference; Flne=ij6g
} ; uJm #{[
1uY3[Z9S
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: &KOO&,
Wu]/(F
template < typename T > y 2cL2c$BT
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const u&
AQl.u
{ `J]<_0kX}%
return l(t) = r(t); qU}lGf!dVn
} hQP6@KIe)
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ,?t}NZY&
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1riBvBT
;4R=eI
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 HUD7{6}4
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: mC%%)F'Zf
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;*"!:GR%h
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ''%;EW>
最后的布局是: #efqG=q
Add %h3L
/ \ ja L$LJV
Divide 5 X9 z:D>
/ \ @yCW8]
_1 3 P7cge
似乎一切都解决了?不。 ;!^ +N
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。 ./';P<)
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。 - a
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: CL
EpB2_
)#)nBM2\
template < typename Right > P} +2>EU
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Bmi:2} j
Right & rt) const JgxE|#*7U
{ L,yA<yrC
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); $hyqYp"/;
} uT'-B7N
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 3j]UEA^
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Kp$_0
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。 D9e+
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。 :h^O{"au^
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。 [vZfH!vLP
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? 0~(\lkh*!9
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: 9"[!EKW
wxH(&CB-{
template < class Action > -B<O_*wOj
class picker : public Action `WraOsoY
{ >cBGw'S
public : kQqBHA
picker( const Action & act) : Action(act) {} 2Px$0&VN
// all the operator overloaded Y]D7i?3N
} ; 3D]2$a_d
Mp]yKl
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。 4jDs0Hn"
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: uWJ#+XK.
N8Rm})
template < typename Right > L*kh?PS;
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 1}i&HIr!b
{ ;,Of\Efc|
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5HWwl.D
} fF8a 1XV
?7fQ1/emhO
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > <O
<'1uO,
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。 6ctHL<^
a7XXhsZ
template < typename T > struct picker_maker Xtu:
{ _)HD4,`
typedef picker < constant_t < T > > result; B"pFJ"XR
} ; I}6DoLbV
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > |V5 $'/Y
{ Qx6,>'Qk'
typedef picker < T > result; /}h71V!
} ; GI 0x>Z+
oG4w8+N
下面总的结构就有了: A^}i^
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 R@)'Bs
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 hj[+d%YZY"
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Oz4,Y+[#
至此链式操作完美实现。 B[)
[fE
mB{&7Rb0
*"|VNnB
七. 问题3 Q0
uP8I}n
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 5Z4(J?n
icKg7-$N
template < typename T1, typename T2 > ~ LJ>WA
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const o(Ua",|
{ 2<46jJYL'
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); >!HfH(is\
} 3s+<
U}A|]vi@
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: 0%GqCg
Sleu#]-
template < typename T1, typename T2 > *G2)@0
{
struct result_2 (>!]A6^L~
{ BR&Qw'O%
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; jc%{a*n"vr
} ; :Y}Y&mA4
|.Y@^z;P3
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? I,C AFq
这个差事就留给了holder自己。 AF9[2AH=Y
Mp^OL7p^^
#{)r*"%
template < int Order > !I~C\$^U
class holder; 0Y38T)k
template <> F#!@}K8
class holder < 1 > gL[1wM%?
{ XEvGhy#
public : ;Sx'O
template < typename T > Dr8WV\4@
struct result_1 v -|P_O&z