一. 什么是Lambda -wG[>Y
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Wb*T
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, r!-L`GUm
Ugee?;]lu
^5^
zo~^o
W! 5Blo
class filler )%nt61P\W
{ 1.ugXD
public : FW6E)df
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} c@"i?
} ; X(0:zb,#G*
yE!7`c.[u
b ?=
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: gFH;bZU
q%)*,I<
=~(L JPo6
yF [@W<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); )BM WC
k
CC]@`R5
Is#v6:#^
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 "' i [~
UJyiRP:#]>
"O"^\f
r4z}yt+
二. 战前分析 AS/\IHZ\
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。 ?8aWUgl
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 R'$ T6FB5
` wsMybe#
tpy:o(H
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ES2d9/]p-
/* --------------------------------------------- */ [{d[f|
vector < int *> vp( 10 ); -
KoA[UJ
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); o<eWg
/* --------------------------------------------- */ p-i]l.mT5
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); *T}dv)8
/* --------------------------------------------- */ II f >z_m
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ]#Z$jq{,
/* --------------------------------------------- */ nk?xNe4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); `h%D\EKeB
/* --------------------------------------------- */ /=O+/)l`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); /:c,v-
UmHJ/DI@
(B?xq1Q
&VBD2_T
看了之后,我们可以思考一些问题: SieV%T0t1
1._1, _2是什么? 13NS*%~7[
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 28ov+s~1+-
2._1 = 1是在做什么? V'BZ=.=
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ^.$r1/U
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%YvP
+~v3D^L15
5qAE9G!c
三. 动工 2H32wpY
,l
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 5eZg+ O
+'6ea+$
dpOL1rrE
~d<`L[
template < typename T > (>@syF%PB
class assignment vp}>#&
{ V,*0<7h
T value; qI/r_
public : :."n@sA@
assignment( const T & v) : value(v) {}
Dg2#Gv0B
template < typename T2 > [3;Y:&D
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } aN);P>
} ; ]oZ,{Q5~
CSg5i&A=
sMe~C>RD
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 onypwfIk)t
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment GlkAJe]
pU)3*9?cIl
-<HvhW
QH?2v
class holder yl]Cm?8
{ Ss#{K;
public : CIs1*:Q9
template < typename T > t2%bHIG}
assignment < T > operator = ( const T & t) const 68G] a N3
{ 3@WI*PMc
return assignment < T > (t); U\!LZ?gC
} MxvxY,~{0
} ; ~a0}
d'@H@
8 $*cfOC
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: 4!b'%)
VBj;2~Xj4h
static holder _1; $S-;M0G
x
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 \#*;H|U.x
o9SfWErZ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Q9'V&jm
而不用手动写一个函数对象。 l\l]9Z6%
5'L}LT8p@
g7q]Vj
F#C 6.`B
四. 问题分析 U JRT4>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。 Sy7^;/(ZZ
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。 |Bt x&'m
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 /r 2.j3:l
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 U~`^Y8UF
下面我们可以对这几个问题进行分析。 /01(9(
(DaP~*c3cC
五. 问题1:一致性 -tdON
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?| )(
jNd&H
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 l4.@YYzbp.
sf&K<C](
struct holder IHX#BY>
{ f#-T%jqnK
// */h9 "B
template < typename T > tf}Q%)`f
T & operator ()( const T & r) const :zy'hu;
{ o_+Qer=O6
return (T & )r; _A0avMD}
} c!FjHlAnP
} ; v7I*W/
UDq KF85H
这样的话assignment也必须相应改动: H
{Wpf9_
K
) x O_
template < typename Left, typename Right > G6ES]
class assignment P\4o4MF@K
{ +P;D}1B#I?
Left l; 7^e}|l
Right r; AS-t][m#
public : +OP:"Q_#
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Z8_gI[Zn
template < typename T2 > :1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } P VW9iT+c
} ; 0r&9AnnWu+
yXQ;LQ;
同时,holder的operator=也需要改动: *LQY6=H
<(lSNGv5N
template < typename T > ?mUu(D:7D
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const `CUO! 'U
{ ">^]^wa08
return assignment < holder, T > ( * this , t); S#z8H+'
} L|'ME|
'
2Ab#uPBn
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。 xa^HU~
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 q`K-T_<
M|]1}8d?
return l(rhs) = r; &\br_
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。 $7
Uk;xV
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: HWAqJb [
oYM3$.{E
template < typename Tp > fmN)~-DV9`
class constant_t \} Szb2
{ bo/!u
s#
const Tp t; rNO;yL4)ey
public : FPFYH?;$
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} { qx,X.5$
template < typename T > eBKIdR%k
const Tp & operator ()( const T & r) const vrDRSc6_
{ K1WoIv<Ym
return t; -KiS6$-
} @z RB4d$
} ; *F&&rsb
+Y[+2=lO
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ?pY!sG
下面就可以修改holder的operator=了 &;3z 1s/
%dR./{txT
template < typename T > 4V3
w$:,
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 7C
yLSZ
{ pU'sADC
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ~n
9DG>a
} T+"y8#:
JNl+UH:.
同时也要修改assignment的operator() HwK "qq-
uQ1;+P:L
template < typename T2 > *0zH5c
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ><7`$ 2Or
现在代码看起来就很一致了。 1"6k5wrIA
<TuSU[]
六. 问题2:链式操作 ,p1]_D&
现在让我们来看看如何处理链式操作。 &4FdA|9T
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。 B)`X7uG
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。 rl7Y=*Dv
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。 /RmCMT
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct {G&g+9c&
<\mc|p"
template < typename T > [SvwJIJJ
struct result_1 !AHm+C_=Lg
{ _q$fw&
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; .?j8{>
} ; wpI4P:
Zi)8KO[/0
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 8PS:yBkA|
PyF4uCn"H
template < typename T > }O{"qs#)
struct ref f}!26[_9{
{ JwczE9~o
typedef T & reference; dVfDS-v!
} ; g_X7@Dt
template < typename T > h)`vc#"65k
struct ref < T &> dfcG'+RU}
{ xU"qB24]=
typedef T & reference; 8[ OiG9b
} ; Z`KmH.l!
m m`3-F|
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Tq8r
SZi
NR@Tj]`k
template < typename T > =h;!# ZC
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const F#wa)XH
{ z+I-3v
return l(t) = r(t); Shd,{Z)-Tg
} :i$Z
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。 C%>7mz-v5
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ^IYN"yX_
t_Wn<)XA
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 o3kj7U:'x
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 20)Il:x
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 6u}NI!he
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 7:%K-LeaQu
最后的布局是: }VRo: sJb
Add |L&V-f&K
/ \ U s5JnP 5
Divide 5 sSK$
/ \ N~d]}J8}gx
_1 3 Hkt'~L*
似乎一切都解决了?不。 -;*Z!|e9
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。 Mw.+0R!T
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。 w%\;|y4+
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>s
}tPl?P'`
template < typename Right > ZP<X#]$qb
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const -~k2Gy;E
Right & rt) const jw[`\h}8
{ b1cd5
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt);
"kC>EtaX
} ]Ox.6BKjDP
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ;|y,bo@sJJ
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。 \tqAv'jA|
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。 $u
sU
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Dn?L
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 jGCW^#GE
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? c[$oR,2b13
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: L)5nb-qp
*?+!(E
template < class Action > H<yec"
class picker : public Action AF-.Nwp
{ RT>3\qhZ
public : !@X#{
picker( const Action & act) : Action(act) {} _HQa3wj
// all the operator overloaded @:I/lg=Qd
} ; M{QNpoM
.R,8<4
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。 ^l,Jbt
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: n6}1{\
6z*L9Vy($
template < typename Right > M~IiJ9{
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const u4'Lm+&O
{ uJ$,e5q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); >Z%^|S9
} oSoG&4
voxlo>:
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > W8^gPW*c5
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 g:g>;"B
O
"$&F]0
template < typename T > struct picker_maker 8] *{i
{ Yy}aQF#M
typedef picker < constant_t < T > > result; k*Kq:$9"
} ; +}Pa/8ybJ
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > j;
C(:6#J
{ Nvi14,q/
typedef picker < T > result; ?8 F7BS4oQ
} ; Yq_zlxd%F
;ORy&H aKl
下面总的结构就有了: h(sD] N
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。 rSk $]E ]Z
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 JoYzC8/r
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?cvv!2B]T
至此链式操作完美实现。 x1~`Z}LX0
b/EvcN8 }
)+G(4eIT
七. 问题3 `uj`ixcR
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 =bzTfki
D-.>Dw:
template < typename T1, typename T2 > O\w%E@9Fh
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 82vx:*Ip!}
{ a_yV*N`D
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); [I9d
} CHz(wn
*Pl[a1=o
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: i469<^A
/iK )tl|X
template < typename T1, typename T2 > G-qxQD1wK
struct result_2 _W+TZa@_
{ |F<aw?%
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ?>_.~b~
} ; -|lnJg4
=h)H`
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? +CkK4<dF
这个差事就留给了holder自己。 F-Ea85/K@4
+*dJddz
p,+~dn;=
template < int Order > VtVnht1
class holder; H{BjxZ~)
template <> -4]6tt'G
class holder < 1 > ]k8XLgJ
{ + y^s
6j}
public : w-2]69$k
template < typename T > u{ng\d*KE}
struct result_1 `u U@(
{ }&j&T9oX
typedef T & result; zehF/HBzE
} ; /vhh2`
template < typename T1, typename T2 > D fb&