一. 什么是Lambda b6oPnP_3P
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 8ae]tX5$
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, {P-KU RQ
blxH`O!
_.wLQL~y
[YJP
class filler 7c<2oTN'
{ TvMY\e
public : J%D'Xlb
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} d) G7U$z~
} ; 4$ejJaE
"hpK8vQ
m5f/vb4l
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: A-.jv
Fi(_A
rN}{v}n
RR^I*kRH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 0B1*N_.L@
>iWl-hI-
Wc03Sv&FZ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 jlzqa7
<;SMczR
>
NK?!!A_
g"xLS}Al
二. 战前分析 $ShL^g@
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。 -\AB!#fh
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 $7M64K{
(a]'}c$X9`
[*8wv^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); luLm:NWUM
/* --------------------------------------------- */ \wO)w@"
vector < int *> vp( 10 ); 8R8J./i.K
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 5GT,:0
/* --------------------------------------------- */ ZK3?"|vhC
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ~"brfjd|
/* --------------------------------------------- */ hSr#/d w&
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); p;BdzV>
/* --------------------------------------------- */ 4$d|}ajH
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); d/Fjs0pt
/* --------------------------------------------- */ `;5UlkVZ5
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); :3{@LOil^
Og"50 -
ObMsncn
1wqCoDgkp
看了之后,我们可以思考一些问题: fy9{W @E3p
1._1, _2是什么? *sB=Ys?
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 qV8;;&8r
2._1 = 1是在做什么? eJ$?T7aUf
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。 z15(8Y@2]
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。 $9Y2\'w<h6
ANn{*h
7^as~5'&-
三. 动工 W"VN2
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 44RZk|U1J{
mmr>"`5.
,LWM}L
QRw306
template < typename T > E9%xSMS8@
class assignment {Am\%v\
{ "op1x to
T value; htlsU*x
public : ,N<;!6e
assignment( const T & v) : value(v) {} ~ $!eB/6ty
template < typename T2 > !);}zW!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &g.w~KWa
} ; t<}'/
)
^=E4~22q
u#la+/
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9%kY8#%SV
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment -!(3fO:
\9@*Jgpd6*
KW^s~j
VlXIM,
class holder m{(D*Vuqd
{ ldanM>5
public : >sPu*8D40a
template < typename T > tN";o\!}
assignment < T > operator = ( const T & t) const hH )jX`Ta
{ Q gDjc'
return assignment < T > (t); PFUb\AY
} ~ E>D0o
} ; k;;?3)!
zUIh8cAoE
ZUAWSJ,s
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: n*@^c$&P
zu^?9k
static holder _1; QVn!60[lj
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 } 9<aX
Y,
eV1O#FLbi
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .;iXe
而不用手动写一个函数对象。 4x e:+sA.N
</:f-J%U/
>OZ+k(saL
9SC#N5V
四. 问题分析 ^X[Kr=:Jp
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。 3=T<c?[
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$p}rh#7{
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 i*W8_C:S
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 w v9s{I{P
下面我们可以对这几个问题进行分析。 e%(zjCA
( F0.lDZ
五. 问题1:一致性 sjWhtd[fgG
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| r7JILk
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 7ABHgw~?8r
V\!FD5%
struct holder p^5B_r:
{ xm/v:hl=
// *z` {$hc
template < typename T > .Z'CqBr[:
T & operator ()( const T & r) const 6"-LGK:
{ hSp[BsF`,
return (T & )r; [3t
N-aj[
} Drk9F"J
} ; mrE^D|
|KplbU0iC
这样的话assignment也必须相应改动: TjgX' j
cS4e}\q,
template < typename Left, typename Right > ogip#$A}3
class assignment o=q
N+-N
{ {~b]6}O
Left l; IC92lPM }
Right r; _Dwn@{[(8
public : scJ`oc:<J
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} E
I)Pfx"0
template < typename T2 > 3`SLMPI
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } *~prI1e(
} ; gigDrf}
>(`|oD`,Y
同时,holder的operator=也需要改动: HP*x?|4
jR}h3!
template < typename T > I;uZ/cZ|/
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const e>uV8!u
{ &tLg}7?iB
return assignment < holder, T > ( * this , t); >pG]#Z g
} u;h9Ra1
=Ky1v$<
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。 P.&,nFIg3
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 !COaPrg
s/`4]B;2U
return l(rhs) = r; k-b_
<Tbo|
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<,?:g$k
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Fr/8q:m&
IDdhBdQ
template < typename Tp > EOVHTDkKf
class constant_t .6(Bf$E
{ %D gU
const Tp t; XH1so1h
public : 04WKAP'c
N
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} <4rF3 aB-
template < typename T > k,X` }AJ6
const Tp & operator ()( const T & r) const 3M+hjc.
{ |~8iNcIS
return t; ~Jp\'P7*
} 8
E.u3eS
} ; 7I(Sa?D:
]1abz:
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 31Zl"-<#-
下面就可以修改holder的operator=了 +%UXI$v
VP0wa>50!
template < typename T > ?
Yy[8_(tN
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 7EQ
|p
{ &q``CCOF&
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Pt";f
} n#,AZ&
Zhz.8W
同时也要修改assignment的operator() 7! <cU
Z-Bw?_e_K
template < typename T2 > [AE]0cO@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } L7q%u.nB1
现在代码看起来就很一致了。 6>Lr
c}g^wLa
六. 问题2:链式操作 q,0o:nI
现在让我们来看看如何处理链式操作。 d[-w&[iy
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 e|"`W`"-
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 4K[U*-\"
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ,Z&"@g
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct j=
]WAjT
DH)@8)C
template < typename T > niqi DT/
struct result_1 D-E30b]e
{ _2 }i8q:
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; &wK%p/?
} ; CIj3D"
1 /7H` O?
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: )Qp?N<&'
@e$zEj5
template < typename T > !;zacw
struct ref 224I%x.,
{ {xr4CDP
typedef T & reference; LPO3B W
} ; `)1_^# k
template < typename T > Z fL\3Mn
struct ref < T &> <CzH'!FJN
{ RfEmkb<9Z
typedef T & reference; J@p[v3W
} ; /NMd GKr
BT`D|<
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: }`h)+Im=
$@}6P,mg
template < typename T > |a3)U%rUEQ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const )z2Tm4>iql
{ \96?OCdr
return l(t) = r(t); D0lgKQ
} `:-{8Vo7
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。 L*D-RYW
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 z"=#<C
C;G~_if4PR
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 WnvuB.(@3
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: efl6U/'Ij
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 pWO,yxr:
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 T%
Kj >-
最后的布局是: @m1v B!
Add x AkM_<
/ \ R`!x<J
Divide 5 QVb@/
/ \ ~ NKw}6
_1 3 2\CFt;fk
似乎一切都解决了?不。 Z[ZqQ` 7N
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。 8e[kE>tS._
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。 $*9h\W-)`Q
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: Do=*bZ;A
u"?cmg<.1
template < typename Right > xzz[!yJjG
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const azS"*#r6}
Right & rt) const 0p*(<8D}
{ dfO@Yo-?*'
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); A_CEpG]
} 2oGl"3/p
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 M_Z*F!al<
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 7'J}|m{7
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 ?UcW@B{
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 a% Q.8
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 ]lXTIej`dy
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? Q<;f-9q@
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: f+Pu t
UF|v=|*{#
template < class Action > Jc-0.^]E}
class picker : public Action r2M._}bF
{ h<$V ry}
public : #J\
2/~
picker( const Action & act) : Action(act) {} ++5W_Ooep
// all the operator overloaded )o
SFHf
} ; Me`jh8(K\6
&t5pJ`$(Cy
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。 z"Gk K T
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: )DI/y1
<6Y o%xt
template < typename Right > ppM d
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const fY}e.lD
{ PHyS^J`
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); !D7/Ja
} *h-_
L/"u,~[
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > \T/~"
w
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。 9V0iV5?( P
>C*q
template < typename T > struct picker_maker 1WfN_JKB5
{ Y6?d
y\
typedef picker < constant_t < T > > result; /=FQ{tLr
} ; y4/>3tz;
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > _`+
!,kG[
{ n,wLk./`
typedef picker < T > result; K9mL1 [B
} ; V2^(qpM!
{I@@i8)]
下面总的结构就有了: yCf*ts1
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。 53=VIN]
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。 \(cu<{=rU
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 eg3zpgZ
至此链式操作完美实现。 ME>OTs
|FS79Bv
OU]!2[7c
七. 问题3 v< xe(dC
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。 j;=+5PY
MV-fDqA(
template < typename T1, typename T2 > 5$`i)}:s
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const #6 e
{ `|8)A)ZVT
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); u#/Y<1gn
} IMmoq={(z
N>z_uPy{A
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: zRx-xWo
[@eNb^R
template < typename T1, typename T2 > zbOEF
struct result_2 qq]ZkT}
{ JY(_}AAu
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; $*Njvr7
} ; DDw H9*
4l@*x^F
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? G[)Ll=
这个差事就留给了holder自己。 Ep|W>
aW$sd)
/VgA}[%y
template < int Order > Sy6Y3 ~7
class holder; l`:M/z6"
template <> "]f0wLzh
class holder < 1 > l5b?
'L
{ iN %kF'&9
public : ~gNa<tg"1
template < typename T > )V*Z|,#no
struct result_1 ULIbVy7Y
{ frWw-<HoI
typedef T & result; 4N[8LC;MH
} ; r{pTMcDS
template < typename T1, typename T2 > C&^"]-t
struct result_2 puV(eG
{ oP$NTy[
typedef T1 & result; uLD%M av
} ; U]riBlg>
template < typename T > _8vq]|rC
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Du k v[/60
{ $z"3_4a
return (T & )r; vrXUS9i.
} %G1kkcdH<
template < typename T1, typename T2 > 02g}}{be8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const )[|`-M~u
{ Smzy EMT
return (T1 & )r1; Vahfz8~w/
} ypM0}pdvTp
} ; f
wWI2"}
`PXSQf
template <> f}PT3
class holder < 2 > ftw\oGrS
{ hF"yxucj$
public : D4g$x'
template < typename T > 3Kc
struct result_1 ^31X-}tv
{ Q&}`( ]k
typedef T & result; v@_b"w_TY
} ; p&/}0eL y
template < typename T1, typename T2 > Zg"g/I.+d
struct result_2 R=yn4>I
{ `rzgC \
typedef T2 & result; :@a8>i1&
} ; hg_@Ui@[z
template < typename T > 9!6sf
GZ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;i\m:8!;
{ $TyV<
G
return (T & )r; S
'S|k7Lp
} Lt$LXE
template < typename T1, typename T2 > P!q!+g
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const |j($2.
{ }SIUsh'
return (T2 & )r2; ~1jSz-s
} JE9SPFQx9M
} ; {hr>m,O%
>0z(+}]3z
RoCX*3 d
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 p0U4#dD6
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ^vPM\qP#g
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 9(g?{ 6v|
RwJ#G7S#
return l(i, j) = r(i, j); dr#g[}l'H
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Z+!._uA
0\*[7!`s
return ( int & )i; sDA&U9;
return ( int & )j; .\ K0+b;
最后执行i = j;
#/a>dK
可见,参数被正确的选择了。 4jMCE&<