一. 什么是Lambda GoGohsj
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~`nm<
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, /Bg6z m
l(3'Re
se^NQ=
s$SU
vo1J
class filler XvfcPI6
{ 7eaA]y~H
public : yDu
yMt#
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} >
{'5>6u
} ; j?d;xj
-D&.)N9ctQ
CS^ oiV%{s
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: 1B9Fb.i
'$2oSd
z&;zU)Jvd
&;r'{$
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Cg]3(3
m11"i=S"
k"3Z@Px:
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 "/ a*[_sV
LV[66<T
Z>>gXh<e[
8|S1|t,
二. 战前分析 FcA)RsMI*
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。 Qwp\)jVi
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 -@gJqoo>
1`2);b{@
Tb!B!m
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); *783xEF>f
/* --------------------------------------------- */ O&rD4#
vector < int *> vp( 10 ); {|7OmslC@
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 0~@L%~
/* --------------------------------------------- */
\
pe[V~F
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 36x5 q 1
/* --------------------------------------------- */ &2P:A
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); k@cZ"jYA
/* --------------------------------------------- */ #G[
*2h~99
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); s&_IWala
/* --------------------------------------------- */ +[ZMrTW!0C
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); d
@^o/w8
oneSgJ
I;Z`!u:+
>~^mIu_BH
看了之后,我们可以思考一些问题: 2heWE
1._1, _2是什么? _Gs
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。 c*M)DO`y;h
2._1 = 1是在做什么? s$DT.cvO
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 K8yyxJ
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 +aXk^+~j
l7D4`i<F
j"D0nG,
三. 动工 Mi%1+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: mhJOR'2
@y;tk$e
DS[l,x
)=,9`+Zta
template < typename T > u
#=kb5}{
class assignment Qn'r+X5t
{ 3
4A&LBwC
T value; l b1sV
public : [6RV'7`Abj
assignment( const T & v) : value(v) {} +*:x#$phx
template < typename T2 > !Wdt:MUI8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ]X"i~$T1 S
} ; L[QI 5N
"PDSqYA
+n8I(l=
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9rf|r
3
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment )@lo ';\
$S)e"Po~5
qhn&;{{
kw-Kx4 )
class holder ]~ g|SqPA@
{ =aCIaL&9Y
public : v%l|S{>(
template < typename T > *`pec3"
assignment < T > operator = ( const T & t) const 3MBz
{ P7BJ?x
return assignment < T > (t); ru6H nLhL
} t+4%,n f_1
} ; gS(: c.
9q0,K" x)
-SC2Zgi)A
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: 1 [~|
x1hs19s
static holder _1; QF.wtMGF&
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 CgT QGJ}-
)8N)Z~h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ^B"_b?b
而不用手动写一个函数对象。 tWX+\ |
2AdHj&XE
)l!&i?h%
IpaJ<~ p
四. 问题分析 !i"9f_
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。 dC;d>j,
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。 >`,#%MH#
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 EK- bvZ
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 l`5}i|4KTW
下面我们可以对这几个问题进行分析。 o y%g{,V
Q&U= jX
五. 问题1:一致性 (m =u;L"o
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?| ][$$
=
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 yn ?U7`V
ywsz"/=@
struct holder BUy}Rn
{ .*wjkirF#~
// jtVPv]
template < typename T > Z]> e & N
T & operator ()( const T & r) const \8>N<B)
{ N(({2'Rr
return (T & )r; r{:la56Xd
} 0\ytBxL
} ; bl=*3qB
MgK(gL/&[
这样的话assignment也必须相应改动: [#@p{[ ?r
a~N)qYL:
template < typename Left, typename Right > }"; hz*a
class assignment #.G>SeTn2}
{ {D2d({7
Left l; $,@ rKRY
Right r; CPCB!8-5
public : ^&w'`-ra
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} TXk"[>,:H
template < typename T2 > UNH}*]u4`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Y8CYkJTAD-
} ; O6/=/-?N=c
G?/8&%8
同时,holder的operator=也需要改动: 1.OXkgh
Y<$"]@w
template < typename T > zZ"')+7q&%
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const :w`i
{ kU9AfAe
return assignment < holder, T > ( * this , t); LF,c-Cv!jL
} ;7og
b8-^wJH!
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。 1nM?>j%k
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 j~j
V`>A
ne~#{q
return l(rhs) = r; GH)+yD[o
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。 ~|d?o5W
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: [`nyq )
PT*@#:MA
template < typename Tp > Z.Y8 z#[xg
class constant_t K]azUK7
{ }j<_JI
const Tp t; #(}_2x5
public : b:d.Lf{y7
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} { dxyBDK
template < typename T > Hn2Q1lF-ip
const Tp & operator ()( const T & r) const &(U=O?r7
{ Ita!07
return t; =|t1eSzc
} ;0}"2aGY
} ; Z"8cGN'
2OOj8JS
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 eMMiSO!3
下面就可以修改holder的operator=了 VQJ5$4a&
"%iR-s_>
template < typename T >
nLLHggNAV
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const C4d1*IQk
{ OpX
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ~CTRPH
} w9?wy#YI
'`VO@a
同时也要修改assignment的operator() ;iI2K/ 3
/|^^v DL
template < typename T2 > 8{^GC(W{]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } )uJ`E8>-
现在代码看起来就很一致了。 WQ`P^5e
Z"&ODVP
六. 问题2:链式操作 wx7>0[ zE
现在让我们来看看如何处理链式操作。 KD<`-b)7<
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 JZ0+VB-3U
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 !Dn1pjxc
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Z
s!q#qM
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct #Y b9w3N
*wl_8Sis}
template < typename T > r,@|Snv)
struct result_1 -PuVI5L<
{ \FX3=WW
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; f*f9:xUY
} ; ?4dd|n
&%51jM<
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: A)0m~+?{J
'n`$c{N<tM
template < typename T > ,
Vr6
struct ref w0OK.fj
{ lcLxqnv
typedef T & reference; m/c~2?-;
} ; T>?1+mruM
template < typename T > o[*ih\d
struct ref < T &> jh!IOtf
{ -2XIF}.Hu
typedef T & reference; +n]Knfi
} ; u9%:2$[
\3UdC{~
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: O$ oN1
5{=MUU=
template < typename T > gU$3Y#R
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Z.19v>-c
{ XX;%:?n
return l(t) = r(t); m=y)i]=1
} ?|F;x"
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 3Q6#m3AWY
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 _dY}86{
Hh/#pGf2
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 SQRz8,sqkw
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: O~1p]j
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象
DGUU1vA
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 hkm3\wg
最后的布局是: B9 {DO
Add }6(:OB?
/ \ 1&WFs6
Divide 5 A~t7I{`
/ \ \%*y+I0>
_1 3 /qY(uPJ
似乎一切都解决了?不。 ~~
w4854
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 t38T0Ao
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Z ISd0hV
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: ]5L3[A4Vu
;#Nci%<J\
template < typename Right > 4WnxJ]5`
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Np)!23 "
Right & rt) const {RO=4ba{J
{ &}?e:PEy
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); nhxl#
} tt91)^GdYa
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 od|.E$B
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。 vDL/PXNC
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。 247>+:7z
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。 e$h\7i:(
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 1A
*8Jnw
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? =ye}IpC*M
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: [\p0eUog/
hWJc
A.A
template < class Action > IVKE dwA
class picker : public Action #,pLVt<
{
)BB a
public : C<)&qx3
picker( const Action & act) : Action(act) {} Ved:w^
,
// all the operator overloaded pu#<qD*w
} ; |0
VP^md
{,X(fJ
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 sa?;D
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: %stktVDAP
b
/ySt<
template < typename Right > 4j{ }{
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const AE Jm/8,T
{ e76)z;'
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); &!Vp'l\9
} r~t7Z+PXF
W_EN4p~J
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > )$i3j
1[;
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。 D.}b<kDD
_XtY/7n
template < typename T > struct picker_maker <k1gc,*
{ '`"&RuB
typedef picker < constant_t < T > > result; ];YOP%2
} ; 03y<'n
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > .?TVBbc%5
{ \k8_ZJw
typedef picker < T > result; }#M|3h;q9+
} ; dWSH\wm+
fE iEy%o
下面总的结构就有了: xg&vZzcl
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。 P{ o/F
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。 +aap/sYp
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 5kz`_\&
至此链式操作完美实现。 4RNzh``u
}"v"^5
>XN&QVE
七. 问题3 j3U8@tuG
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。 NgKNT}JDv
o=}?aC3I
template < typename T1, typename T2 > ho. a93
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4{=Em5`HbO
{ M9nYt~vHX
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); o^_am>h
} jLg4_N1SD
;8UHPDnst
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: Rz<fz"/2<