一. 什么是Lambda Yc`PK =!l
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 bbG!Fg=qQ?
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, VJbn/5+P
Ue&I]/?;$
os[i
cv7.=*Kb;
class filler rD!UP1Nb
{ _m@+d>f_
public : ALi3JU
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} &Db'}Y?x]
} ; yD yMI
t~V?p'a0ys
u`gY/]y!
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: Uqd2{fji=#
~Q2,~9Dkc
h[& \OD,P
cnL@j_mb
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); g0M/Sv
WNp-V02l
i Qa=4'9;
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ;mauA#vd
c:u2a/Q?
1Q!^%{Y;
2>F`H7W
二. 战前分析 #9/S2m2\YG
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。 #gSIa6z1W
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 9xRor<
{1}p+dEK
=
KJ_LE~)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |bX{MF
/* --------------------------------------------- */ F3=iyiz6
vector < int *> vp( 10 ); ? oQ_qleuo
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Y;1J`oT
/* --------------------------------------------- */ nV_[40KP_
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ^$;5ZkQy
/* --------------------------------------------- */ !=p^@N7
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); .B_a3K4'{^
/* --------------------------------------------- */ YPmgR]=6
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); (i@B+c
/* --------------------------------------------- */ ?UBhM,;XK
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &d 6
+"3K)9H
%Hpz^<`
W~?mr!`
看了之后,我们可以思考一些问题: K{__rO
1._1, _2是什么? +8 }p-<a
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。 (;2]`D [x
2._1 = 1是在做什么? +`+r\*C5
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。 87OX:6
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。 `y*o-St3
ZJ'FZ8Sx
_8s1Wh G
三. 动工 $@eFSA5k,7
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ^2eH0O!
OcZ8:`=%
K)nn;j=
^cI 0d,3=
template < typename T > F(;95TB
class assignment 8]A`WDO3
{ b\^9::oY
T value; i3<ZFR
public : m:C |R-IL
assignment( const T & v) : value(v) {} vx4Jk]h+=L
template < typename T2 > :M\3.7q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } I7HP~v~
} ; :eL
ja*
+*Pj,+;W
5tcJTz
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 &)F#cVB
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment jbs)]fqC;
OO-b*\QW
-n]E\"
_-nIy*', =
class holder ?gl[=N V
{ 1'YksuYx6f
public : l3;MjNB^V
template < typename T > ky{-NrK
assignment < T > operator = ( const T & t) const DtOL=m]s
{ w<G'gi]
return assignment < T > (t);
3vRBK?Q.y
} t'DYT"3
} ; rRd8W}B
"Rq)%o$Z
{U7A&e0eW
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: tN&_f==e
&?#!%Ds
static holder _1; z|WDqB%/I
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Nh+ZSV4WJ:
.>+jtp}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); f}?q
而不用手动写一个函数对象。 A"no!AN
JTfG^Nv>K
U
Y')|2y
5
6dQ]=];
四. 问题分析 .+2@(r
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。 cP&XkAQ
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。 {,
zg
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ;&U! g&
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 1`l10f qU
下面我们可以对这几个问题进行分析。 WoX,F1 o
~JSa]6:_+
五. 问题1:一致性 1xt N3{c
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?| ZY{zFg9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ^laf!kIP
4KT-U6zNx
struct holder UWW_[dJr
{ hwB>@r2
//
>TQnCG=
template < typename T > &Ez]pKjB
T & operator ()( const T & r) const riY[p,
{ ma7@vD
return (T & )r; ;sfk@ec
} E|5lm
} ; drEND`,@6|
Yn1CU
这样的话assignment也必须相应改动: Fc.1)yh.
:}}~ $$&
template < typename Left, typename Right > ~@N0$S
class assignment sN9
SuQ
{ .qG*$W2f
Left l; )1 =|\
Right r; #vBS7ba
public : UJ1Ecob
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} _.G p}0a
template < typename T2 > q+}Er*r
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } BHEZ<K[U
} ; o7WK"E!pF'
k=r)kkO)
同时,holder的operator=也需要改动: Fmux#}Z
g
xf|L>=
template < typename T > !>gu#Q{\-
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 4KCJ(<p|
{ Ceco^Mw
return assignment < holder, T > ( * this , t); (b4;c=<[{
} 4.}J'3 .
z8\;XR
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。 Ss
c3uo 0
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 2$%E:J+2:$
@N,I}_ 9-
return l(rhs) = r; \`$RY')9|!
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。 sCw X|
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ( R0>0f@
O]N
8QH
template < typename Tp > )3RbD#?
class constant_t 9;k!dM
{ ^lCQHz
const Tp t; F^)SQ%xx
public : PDH00(#;+
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 6m!%X GZT
template < typename T > i%a jL
const Tp & operator ()( const T & r) const ] f~mR_E
{ qD?-&>dBWi
return t; =Zc
Vywz;+
} QwL'5ws{q
} ; )i{B:w\ ^
=(U&?1 R4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 >7^i>si
下面就可以修改holder的operator=了 [r"`rBw
~Q/G_^U:
template < typename T > BO3%p
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const KW5u.phv
{ L4C_qb k;:
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); !mtq?LV
} Rr0@F`"R
r:*0)UZlD
同时也要修改assignment的operator() %.3]F2_Q
IoI
,IX]i)
template < typename T2 > c _faW
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } "Ooc;xD3<
现在代码看起来就很一致了。 ,@]rvI6x
E8QY6 gKF
六. 问题2:链式操作 k yI -nE
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ,F)9{ <r]
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。 t)hAD_sf
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。 :Kt'Fm,s?
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。 95%,
8t
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct aE'nW@YL.
GDMg.w4Yk
template < typename T > %Yi^{ZrM
struct result_1 pg;y\}
{ 2|C(|fD4
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; :-Al}7
} ; j/<z[qr
f.cQp&&]r
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: a6&+>\o
%W[#60
template < typename T > O3>m,v
struct ref TUaW'
{ "X7;^yY
typedef T & reference; O5?Gv??@
} ; fqcFfz6?x
template < typename T > ]sf1+3
struct ref < T &> aHvsgp]
{ 3.^Tm+ C
typedef T & reference; '3MCb
} ; +~~&FO2
m2o)/:
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: |`50Tf\J
u^!c:RfE?
template < typename T > 861!p%y5
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const [c=T)]E1
{ n6f
return l(t) = r(t); 5sc`L
} ].C4RH
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。 jg7WMH"`
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 e<;^P(g`E
68k
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 _,m|gr,S
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: XA*sBf
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 fEB>3hI
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 _Ka6! 9
最后的布局是: D'!
v9}
Add v>&sb3I
/ \ _poe{@h!
Divide 5 AM ZWPU
/ \ 'l| e}eti>
_1 3 dmkd.aP4
似乎一切都解决了?不。 &S8Pnb)d
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。 zAxscDf'
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。 E
=7m@"0
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: V>YZ^>oeH
Ym WVb
template < typename Right > ;HOOo>%_K
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const %di]1vQ
Right & rt) const =h<LlI^v
{ 4CT _MAj
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); !k= ~5)x
} C25r3bj
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ~fDMzOd
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。 PU6Sa-fQ2,
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。 mimJ_=]DC
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。 0xe!tA
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。 tL;!!vg#V
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? 79?%g=#=
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: )TmqE<[
!)}3[h0
template < class Action > Y<vsMf_U
class picker : public Action }c"1;C&{
{ jv
C.T]<B
public : .=nx5yz
picker( const Action & act) : Action(act) {} qXH\e|
// all the operator overloaded @vC7j>*4B
} ; 45u\v2,C3
%L\buwjy$
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。 *r&q;ER
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: },d`<^~
XU3v#Du
template < typename Right > .5;Xd?
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const nS53mLU)
{ *,UD&N_)*6
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); i"h '^6M1
} Y~</vz+H
y$]gmg
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 4a&*?=GG
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 "0nT:!BZ
bvuoo/
template < typename T > struct picker_maker @Y~R*^n"}
{ |9;6Cp
typedef picker < constant_t < T > > result; ,EAf/2C
} ; /-.i=o]b
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > &@c?5Ie5
{ vtv^l3
typedef picker < T > result; JVoW*uA
} ; 33{(IzL0
WCg*TL}
下面总的结构就有了: %SwN/rna
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 %|3I|'%Y
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 (\Iz(N["G
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 nY#V~^|
至此链式操作完美实现。 wClX3l>y
: DxCjv
hr+,-j
七. 问题3 x}`]9XQ
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 oPX `/X#
^st.bzg+[
template < typename T1, typename T2 > 3N'f Hy
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 2f%G`4/p
{ 6%p$C
oR
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ^&AhWm7\
} FAS+*GFz
=9lrPQ]w
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: 1;\A./FVv
a^vXwY
template < typename T1, typename T2 > b)SU8z!NV&
struct result_2 8fn7!
{ #SHmAB
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Xm|Uz`A;
} ; h "7:&=e
PJ=N.xf}
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? N(%%bHi#V
这个差事就留给了holder自己。 >d`XR"_e
hrT_0FZV
%<g(EKl
template < int Order > |NbF3 fD
class holder; "funFvY
template <> !Od?69W, $
class holder < 1 > Qg7rkRia
{ oBA]qI
public : H O^3v34ZO
template < typename T > ~{#$`o=
struct result_1 P <$)v5f
{ Wz}8O]#/.
typedef T & result; X}Ey6*D:
} ; ~\4B 1n7
template < typename T1, typename T2 > ,Zpc vK/S
struct result_2 Zy}Qc")Z
{ D^?jLfW8
typedef T1 & result; M
`QYrH
} ; cB;:}Q08#
template < typename T > p)t1]<,Of
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const _h%
:Tu
{ $=x1_
return (T & )r; !besMZ
} ;B 35E!QJ
template < typename T1, typename T2 > P9Gjsu #
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const &B^zu+J
{ yqy5i{Y
return (T1 & )r1; YL )epi^
} ~*3obZ2>2
} ; 3'd(=hJ45$
){AtV&{$
template <> pJ` M5pF
class holder < 2 > A9*( O)
{ [j6EzMN
public : 4Y):d!'b
template < typename T > vhw"Nl
struct result_1 Z~g I )
{ o -< 5<
typedef T & result; 02Ftn&bi
} ; m=^`u:=
template < typename T1, typename T2 > dQ6n[$Q@N
struct result_2 m;=wQYFr{I
{ Mp *S +Plp
typedef T2 & result;
Wc}opp
} ; DFgr,~
template < typename T > uHBEpqC%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ZP@or2No%
{ Q9(J$_:
return (T & )r; Qz T>h
} $Hx00
h o
template < typename T1, typename T2 > *%G$[=
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const U
Hej5-B
{ yIab3/#`
return (T2 & )r2; 9uXu V$.
} U>q&p}z0H
} ; AN!MFsk
[DW}z
3)F9:Tzw1
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 Cm~h\+"
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: \9U4V>p
首先 assignment::operator(int, int)被调用: U($sH9,
?4X8l@fR
return l(i, j) = r(i, j); :$bp4+3>
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) |
HkLl^
M*DF tp<
return ( int & )i; x=+R0ny
return ( int & )j; a,o>E4#c
最后执行i = j; IrAc&Eh