一. 什么是Lambda &{# 6Z
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 .R4,fCN
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, TR
`C|TV>
Zu~t )W
2h}FotlO
"-5FUKI-
class filler Mu.oqT
{ 9)[)07
public : .W9
*-
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} C=K{;.
} ; 1n*"C!q
bz,"TG[
*ni0.
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;
,s}7KE
p Zxx
q+;lxR5D
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); cF iTanu
D4@(_6^
gtY7N>e
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 WhFE{-!gX
/L]@k`.q@
>h9~
/
5YUe>P D
二. 战前分析 Q2m 5&yy@s
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。 l4I',79l
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 'Vhnio;qC
c*(=Glzn
!QqVJ a{j
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Y{t}sO%A
/* --------------------------------------------- */ p lzwk>b_
vector < int *> vp( 10 ); q}E'x/s2m
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ^g <Lu/5w
/* --------------------------------------------- */ Tjj27+y*\
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); h,/3}
/* --------------------------------------------- */ a6d|Ps.\!
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); |^w&dj\,
/* --------------------------------------------- */ 6hFs{P7
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); D [v22 5
/* --------------------------------------------- */ }$@K
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Pi%-bD/w
:X 1Y
{D]I[7f8Ev
pC&i!la{o}
看了之后,我们可以思考一些问题: y7z ,I
1._1, _2是什么? 0zjGL7
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。 V%^d~^m,H
2._1 = 1是在做什么? ])zpx-
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。 LH~
t5
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。 C+C1(b;1
?J"Y4,{
Hjy4tA7,l
三. 动工 xfqu=z8X
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ,` $2
(<|1/^~=
q}&+{dN\1
You~
6d6Om
template < typename T > L[:M[,?=`
class assignment .4=A:9
{ d%1Vby
T value; `_{,4oi
public : ggHl{cl)
assignment( const T & v) : value(v) {} !U1V('
template < typename T2 > J =#9eW
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ^$8WV&5q>
} ; tkHUX!Ow;
52*KRq
o
r"lh\C|
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 &{x`K4N
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment u3PM 7z!~
ZgzYXh2
Ak\"C4s
^P*+0?aFr
class holder <yKyM#4X
{ ;FjI!V
public : G;AV~1i:~
template < typename T > W6yz/{Rf
assignment < T > operator = ( const T & t) const 9:Z|Z?>?
{ cdfnM% `>\
return assignment < T > (t); SsIN@
} mZ#IP
} ; NV3oJ0f&2
#@L<<Q8}
t`x_@pr
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: \&s$?r
GS!1K(7
static holder _1; Uetna!ABB
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Sr6?^>A@t
bB.Yq3KI
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); DJH,#re>
而不用手动写一个函数对象。 u$1^=
5S #6{Y =
w8-L2)Q}I
RSF@ Oo{
四. 问题分析 CSE!Abg
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。 w"h'rw
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。 m^a0JR}u9
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 TfA;4^
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 &_Gu'A({J
下面我们可以对这几个问题进行分析。 #U/L8
aDX4}`u
五. 问题1:一致性 .@f)#2
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?| "(E%JAwZ^W
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 2!Pwg0%2
2{)<Df@
struct holder V5d|Lpm
{ `b[@GGv
// :,MI,SwnS
template < typename T > ~*G}+Ur$2
T & operator ()( const T & r) const z&A#d
{ KRj3??b
return (T & )r; tqOx8%
} ?h ym~,
} ; +D#.u^
koT: r
这样的话assignment也必须相应改动: ;0E[ ;
L!
9QN(Wq@
template < typename Left, typename Right > wW'.bqA
class assignment $s5D/60nO
{ <D(|}5qR
Left l; ~fly6j|u
Right r; ltmD=-]G_
public : q62U+o9G
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 4{ exv
template < typename T2 > v7D3aWoe
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } KKJ a?e`C
} ; ~ouRDO
lK y4Nry9
同时,holder的operator=也需要改动: 1?#Wg>7'
c}#(,<8X
template < typename T > @-}!o&G0
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Z+! 96LR
{ -<gQ>`(0
return assignment < holder, T > ( * this , t); x!9bvQT
} ut9R]01:
ZvW&%*k=
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。 O9MBQNwjA
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 z%WOv~8~
`k'Dm:*`u4
return l(rhs) = r; AG,;1b,:81
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。 \!'K#%]9
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: +Ram%"Zwh
b]5S9^=LI
template < typename Tp > '5SO3/{b
class constant_t %Z#[{yuFs
{ Ya,(J0l
const Tp t; ^NOy:>
public : vTYgWR,h
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} }{
"RgT-qG
template < typename T > \E2S/1p
const Tp & operator ()( const T & r) const h>jp.%oOu
{ [IW6F
return t; 15`,kJSK
} }zV#?;}
} ; 3})0p
1
,4V8gp
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 3O'X;s2\d
下面就可以修改holder的operator=了 U7Pn
$l2!
8*yky
template < typename T > tsqWnz=)
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const R{Qvpd$y
{ dZjh@yGP.
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ,zrShliU
} KXga{]G:
=?-
sazF&
同时也要修改assignment的operator() jTq@@y
Q##L|*Qy
template < typename T2 > STQ~mFs"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } {_*$X
现在代码看起来就很一致了。 ffE>%M*
JQWW's}
六. 问题2:链式操作 vD4<G{
现在让我们来看看如何处理链式操作。 d9uT*5f
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 9w,u4q
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Ry iS
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 4\EvJg@Z.
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 1'g{tP"d
AA0zt N
template < typename T > W/|C
struct result_1 @V#
wYt
{ lIF*$#`oh*
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; {uMqd-Uu
} ; FUU/=)^P$
J*CfG;Y:
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: 5mYI5~
p
wa4(tM2
template < typename T > ]gGCy '*)
struct ref $5m_)]w4a
{ jF%[.n[BU
typedef T & reference; n`)wD~mk
} ; Zr@G
template < typename T > PyfOBse}r
struct ref < T &> `` mi9E
{ 1f`=U0
typedef T & reference; )Y+?)=~
} ; A4uDuB;;ZQ
,\RxKSU
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: E8.xmTq
#5.L%F
template < typename T > :,(ZMx\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const d[.JEgU
{ (KxL*gB
return l(t) = r(t); 0Ku%9wh-
} V2?&3Z)W
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。 ePJtdKN:
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 !56gJJ-r
R]{AJ"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 NQ(}rr'.
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: tcxs%yWO1
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 S4Vv _k-&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 sZhl.[&zo
最后的布局是: QWBQ0#L
Add #GHLF
/ \ ]xIfgSq
Divide 5 NCM&6<_
/ \ (^Kcyag4
_1 3 D;0xROW8{
似乎一切都解决了?不。 ~|~j01#
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。
h8!;RN[
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。 KGm"-W
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: W<D(M.61A
W}5 H'D
template < typename Right > _(8HK
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const h7S&tW GU
Right & rt) const (g@e=m7Q
{ zz4A,XrD
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @pD']=d}t
}
}[<eg>9#
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 VoJelyzh
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。 ~xg1mS9d
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。 Q`}n;DV
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。 QAy9RQ0
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。 ~=,|dGAa$
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? \ns#l@B
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: #?z1cgCg
hFjXgpz5
template < class Action > Tx7YHE6{
class picker : public Action vx\h
Njb
{ X=p~`Ar M{
public : zAxwM-`
picker( const Action & act) : Action(act) {} q#RVi8('
// all the operator overloaded WqC6c&NM
} ; }hFjl4`xa
E5M*Gs
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。 ZC1U
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: iM Xl}3
nV0"q|0K;
template < typename Right > B94mh
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ;Db89Nc$
{ uj-q@IKe
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -hP@L ++D
} [D H@>:"dd
{O,Cc$_
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 8P 3EQY-
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。 URW'*\Xjb
R?Q@)POW
template < typename T > struct picker_maker WbS2w @8
{ K`@GNT&
typedef picker < constant_t < T > > result; i%W,Y8\uf*
} ; `C`_2y8
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > h<9h2
{ |400N
+MK
typedef picker < T > result; T]nZ3EZ
} ; 5U[;T]{)e
)(&g\
下面总的结构就有了: y )v'0q
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。 h@z(yB
j:0
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。 4\?I4|{pC
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ujcNSX*
至此链式操作完美实现。 PL8eM]XS
'B"kUh%3$5
d&