一. 什么是Lambda bDS1'Ce
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 DB%AO:8
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, KdJx#Lc
Qf>Pb$c$U
[0ffOTy
><MgIV
class filler zZc@;S#
{ _1> 4Q%
public : }!]x|zU.=
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} yO;C3q
} ; p}DF$k%`
xO-U]%oq
+7<>x-+
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: bM0[V5:jB
NND=Zxl
!K3cf]2UD
(E}cA&{
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); m'(;uR`
>X,Ag
KBRg95E~]l
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ;3}EBcw)
*\:_o5o%[T
eQVPxt2N
d3G{0PX
二. 战前分析 "E|r 3cN
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 )R)$T'
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 1R%`i'$/
W}2 &Pax
L sDzV)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); QcG5PV
/* --------------------------------------------- */ EhPVK6@
vector < int *> vp( 10 ); .hlQ?\
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); QiE<[QP{g
/* --------------------------------------------- */ rKQASRF5*
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); px}7If
/* --------------------------------------------- */ Ipz
1+
#s'
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); d6@jEa-
/* --------------------------------------------- */ c`i=(D<
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); k\c &2T]W
/* --------------------------------------------- */ EcU'*
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); -iDEh_pts
*Iwk47J ;a
EPe]-C`
NVc!g
看了之后,我们可以思考一些问题:
X'#$e{
1._1, _2是什么? B.mbKntK)R
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。 aDl,
K;GL
2._1 = 1是在做什么? *Qg5Z
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。 ZE8/ m")
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。 &[ u6oAR
X`3vSCn
R=amKLD?
三. 动工 4-+ozC{
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: #A/]Vs$
nK h%E-c
[%84L@:h
%g0z)J
template < typename T > [|[sYo
class assignment mfngbFa1
{ |J<pLz
T value; _(6B.
public : [+'BQ
assignment( const T & v) : value(v) {} wyrI8UY
template < typename T2 > -Y8ks7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } rO(TG
} ; T018)WrhL
YQ@dl
\)otu\3/
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 uRm _
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment K=c=/`E
c8-69hb?
sWsG,v_
-eR!qy:.]5
class holder DrCWvpudd
{ :otY;n -
public : +f
X}O9
template < typename T > H-_^TB
assignment < T > operator = ( const T & t) const D/S>w(=
{ I mPu}
return assignment < T > (t); UAx.Qq
} %oh`EGmVP
} ; m@G<ZCMZ
FDVI>HK @
k=T-L
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: N753
&e-#|p#v
static holder _1; *K+jsVDY
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ]_ejDN\>{V
N)y^</Ya
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ~m?74^ i
而不用手动写一个函数对象。 ]&C:>
FDF3zzP0
Ha)3i{OM
3?.1~ "-J
四. 问题分析 k5aa>6K
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。 bkr~13S{+
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。 hv$uH7Fz
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 G2CZwm{/f
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 `1fJ:b/M
下面我们可以对这几个问题进行分析。 {PODisl>\D
4|>
rwQ~t
五. 问题1:一致性 ( zn_8s
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 5q5 )uv"
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Q7~'![(a
@<D'-mMt
struct holder V[o7Jr~
{ UAsF0&]
// MAE7A"la
template < typename T > ;x:k-s2-
T & operator ()( const T & r) const 6R 1wn&8
{ ku/\16E/k
return (T & )r; (dzH3_U
} wr$cK'5ZL
} ; k^H0b\hYY
h8f!<:rTS
这样的话assignment也必须相应改动: '1W!xQ}E
IajD;V
template < typename Left, typename Right > MV"E?}0
class assignment @sc8}"J]#
{ n-b>m7O(
Left l; k{gl^
Right r; 42rj6m\
public : e[x?6He,$
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} A Gv!c($
template < typename T2 > r NxrQ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } K\RWC4
} ; J+ Jt4
#4vV%S
同时,holder的operator=也需要改动: `Y\gSUhzS
Nk96"P$P
template < typename T > $|4cJ#;^L
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const !oZQ2z~
{ %04:z77
return assignment < holder, T > ( * this , t); 0LetsDN7I
} y;Qy"-)qb
oM6j>&$b
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。 ^cYStMjpy
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 h&)fu{
<Z{vC
return l(rhs) = r; :PgF
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。 7JbY}@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: =nJ{$%L\x,
B$cOssl
template < typename Tp > jCU=+b=
class constant_t \Dn&"YG7
{ z%OuI 8"'
const Tp t; qBT_!
)h
public : &MCy.(jN
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} L +L9Y}
template < typename T > #v{ Y=$L
const Tp & operator ()( const T & r) const T"n{WmVQ
{ -glugVq
return t; JZ `>|<W
} 8O,?|c=>
} ; 6ayy[5tW
U
z"sdi
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ?n)Xw)]
下面就可以修改holder的operator=了 3^{8_^I
~j=xi P
template < typename T > 0CT}DQ._^N
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const J!rY
6[t
{ ?#d6i$
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); \I?w)CE@R
} 9lKn%|=T
>xT^RYS
同时也要修改assignment的operator() DhZ:#mM{
e"]"F{Q
template < typename T2 > &=YSM.G
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Yl$X3wi
现在代码看起来就很一致了。 m;dm|4L^
Sa L"!uAk
六. 问题2:链式操作 >^dyQyK
现在让我们来看看如何处理链式操作。 $0_^=DEW
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 &,J*_F<s2<
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 M|d={o9Hp
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 xdPcsox~
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct YQ;
cJ$
N1%p"(
template < typename T > bG"HD?A_
struct result_1 "jT#bIm
{ l09Fn>wa
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; +#4]o
}6G
} ; tv0Ha A
5L F/5`
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: ?]^zD k@~
te i`/
template < typename T > 3?Lgtkb8
struct ref {V}qwm?
{ +=7:4LFOL
typedef T & reference; Ejv%,q/T(
} ; cph~4wCS[U
template < typename T > -;$nb~y
struct ref < T &> ;J]25j]]
{ NetYg]8`
typedef T & reference; ^=^$tF
} ; _K'7(d0z
JBz}|MD
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: k'Gw!p}
%<ic%gt`#
template < typename T > v9=}S\=Cd
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const s.VA!@F5
{ $/+so;KD
return l(t) = r(t); ,of]J|
} P^pFqUL7#
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。 w]nX?S8
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 #Q}_e7t
)n( Q
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 UP2}q?4
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: obO}NF*g^
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 yYY Nu`
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 L;S}s, 2x
最后的布局是: qy
,"X)^#
Add kx:jI^
/ \ ?R|th Z
Divide 5 W m
.
}Zh
/ \ }x:0os
_1 3 -p`L%xj\
似乎一切都解决了?不。 4J5pXlzV
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。 FbAW_Am(
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。 <C'Z H'p
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`x|]-/M&
:'}@Al9=>
template < typename Right > 9C/MRmv`
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const v>H=,.`0\
Right & rt) const D<bI2
{ G(/DtY]
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); %?9Ok
} T/l1qcf`wT
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 )MSZ2)(
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。 @E%DP9.I
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。 L[y Pjw:0
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。 )#C
mQXgG
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。 RF?DtNuq
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? w^HjZV
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: Qqc]aVRF
O- #TZ
template < class Action > ^2S# Uk
class picker : public Action RNWX.g)b
{ b*EXIzQ
public : r8[T&z@_
picker( const Action & act) : Action(act) {} GS;%zdH~
// all the operator overloaded x GH1epf
} ; )K;]y-Us[
kccWoU,
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。 Y/fJQ6DY
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: k_ Y~;P@
Dz;HAyPj
template < typename Right > \S4SI
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const mrM4RoO
{ U]R~ gy}#
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Zgamd1DJ[l
} })Yv9],6
P`(Mk6gE
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 6B" egYv
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。 0 )}$^TV
X(*!2uS
template < typename T > struct picker_maker pK}=*y~$
{ ? mv:neh
typedef picker < constant_t < T > > result; IRW^ok.'b!
} ; pf&ag#nr
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > </[: 9Cl
{ nlc.u}#
typedef picker < T > result; },@``&e
} ; 5M F#&v
C&<~f#lB
下面总的结构就有了: )8,|-o=
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。 7K;!iX<d
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。 5l{Ts04k%
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Kct@87z
至此链式操作完美实现。 !wE}(0BTx
Z7a945Jd
BPv>$
m+.
七. 问题3 cn`iX(ZgR
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。 {ci.V*:"
*[}^[J
x
template < typename T1, typename T2 > [k<1`z3
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const {tiKH=&J
{ [}z,J"Un
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ZZxk]D<
} :"1|AJo)
]a'99^?\
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: Um`!%
W7sn+g\
template < typename T1, typename T2 > [?0d~Q(R#
struct result_2 i|WQ0fD
{ 4hs)b
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; B?bW1
} ; >jg0s)RA'
mtAE
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? ?C-Towo=i
这个差事就留给了holder自己。 Ib=x~za@n
WXw}^v
GVGlVAo|@
template < int Order > V3Z]DA
class holder; g}LAks
template <> lLhL`C!
class holder < 1 > QzvHm1,@
{ oUZoj2G1
public : q5DEw&UZJ
template < typename T > tc+WWDP#"
struct result_1 nh+l78
{ 3uWkc3
typedef T & result; 4?\:{1X=
} ; U8$4
R,+
template < typename T1, typename T2 > Mkxi~p%<r
struct result_2 WKfkKk;G
{ &7e)O=
typedef T1 & result; ULJ mSe
} ; o 5U(i
template < typename T > AIYmS#V1W2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const fWnD\mx?0
{ ]6r;}1c
return (T & )r; zi9[)YqxPH
} g4p
template < typename T1, typename T2 > RE2&mYt
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 6w8">~)Z
{ Yr.sm!xA
return (T1 & )r1; ^TY;Zp
} "Jq8?FoT
} ; (V`Md\NL`
i%m"@7.kk
template <> W,5Hx1z R
class holder < 2 > W !w, f;
{ XRx+Dddt;
public : !>,m&O-x
template < typename T > Z<[<n0o1
struct result_1 \JEXX4%
{ 4`m~FNVS
typedef T & result; G2bDf-1ew
} ; x!LQxoNF
template < typename T1, typename T2 > t]jFo
struct result_2 *g}Yw
{ nn/?fIZN4
typedef T2 & result; GPz(j'jU
} ; JF&$t}
template < typename T > 9I27TKy
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const sV"UI
{ i<kD
return (T & )r; q;g>t5]a
} l/TjQ*
template < typename T1, typename T2 > Z;Ez"t&U
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const [qUN 4x5b
{ }D411228
return (T2 & )r2; jp8@vdRg
} -i0(2*<
} ; Un`^jw#_
J%09^5:-z
X+L) -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> >。 @AHm!9?o
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: c0B|F
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 9{k97D/
^k5ll=}
return l(i, j) = r(i, j); F'jWV5"*
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ]H-S,lmV
%~L>1ShtU
return ( int & )i; $vC1 K5sLk
return ( int & )j; QO;N9ZI
最后执行i = j; zJP6F.Ov!
可见,参数被正确的选择了。 @k[R/,#'[t
F<>!kK/c
B~o\+n
wW>zgTG
xh7c VE[UM
八. 中期总结 w(kf
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: JlMT<;7\
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 'WaPrCw@Mf
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 p' M%XBu
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Ox#\M0Wn$3
3_~cMlr3T.
t`*! w|}(1
~\{^%~[48
*Qugv^-
~U;rw&'H
九. 简化 S*j6OwZ
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 IDnC<