一. 什么是Lambda
's"aPqF?
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 4rCw#mVtB
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, = =KDr0|G
8&x&Ou$("V
N^[MeG,8
- sq=|
class filler ~:0U.v_V
{ j6*e^
B
public : A i#~Eu*
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Fkqw#s(T
} ; {>ghX_m|
=.`e4}u \X
@%MGLR{pH
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: \<}e?Yx%
oC!z+<
/GNm>NSK
/I`-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); [].euDrX
i|!R*"
R C!~eJG!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 }mk z_P(Z
1q*=4O
(x[z=_I%`
5cr\ JR
二. 战前分析 Jjx1`S*i
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。 @# p{,L
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 S;!7/z
x)kp*^/
@7?L+.r$9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]PH'G>x
/* --------------------------------------------- */ f Lns^
vector < int *> vp( 10 ); p"Di;3!y!
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); FbD9G6h5
/* --------------------------------------------- */ &X}i%etp^2
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 7a%)/)<D
/* --------------------------------------------- */ m8 *)@e
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ,V+,3TT
/* --------------------------------------------- */ n8) eC2A
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Y)C!N$=@Q
/* --------------------------------------------- */ Kl :x?"g)
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); R6irL!akAd
yzL6oU-{&
kK]L(ZU+
>s;dooZ
看了之后,我们可以思考一些问题: @ql S #(
1._1, _2是什么? mv`ND&
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。 ]M&KUgz
2._1 = 1是在做什么? x?G"58
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。 gp]T.ol
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。 U!524"@%U`
Cfst)[j
U{&gV~
三. 动工 \
UiITP<
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: <L<d_
:>m67Zq
/baSAoh/e
Ibu 5
template < typename T > .vtV2lq
class assignment j:'8yFi_
{ te#Wv9x
T value;
m}sh(W5\
public : SH1)@K-
assignment( const T & v) : value(v) {} 8/ PS#dM\
template < typename T2 > 3|1v)E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } DYW&6+%,hO
} ; %v<BE
tq
kuo!}QFL
Xny{8Oo<1?
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Amj'$G|+hj
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Hie
qPgny/(
#b$qtp!,
I*l y
7z
class holder QJtO~~-
{ AkVgFQg"
n
public : fnJt8Y4
template < typename T > o%[swoM@
assignment < T > operator = ( const T & t) const
L }pj+xB
{ 2 UPG8]
return assignment < T > (t); -5#cfi4^*
} tk!5"`9N
} ; x^)W}p"
U'0e<IcY
EEj.Kch}4
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: i^"!"&tW#
@k||gQqIB
static holder _1; D7v_<
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 /J[s5{
:HkXsZ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nXfdf-
而不用手动写一个函数对象。 E$USam
ecyN};V>
tYMPqP,1.
<j:@ iP
四. 问题分析 <,,X\>B
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 _[$,WuG1
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。 y1 a1UiHGP
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 #N;McF;W
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8QQh1q2
下面我们可以对这几个问题进行分析。 8\HzFB
dK>sHUu
五. 问题1:一致性 w[OUGn'
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?| puox^
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 x%T.0@!8
H7(D8.y )
struct holder K>G.HN@
{ %BF,;(P
// ]Wtg.y6;
template < typename T > d:=Z<Y?d/
T & operator ()( const T & r) const AejM\#>
{ sq?js#C5
return (T & )r; Ty} Y/jW
} kO4'|<
} ; ZP'0=
Sm;@MI<@/
这样的话assignment也必须相应改动: *auT_*
fGoJP[ae
template < typename Left, typename Right > C=qL0
class assignment gFl@A}
{ F ESl#.}
Left l; % _nmv
Right r; OAf}\
public : hR~&}sxN
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} `R!Q(rePx
template < typename T2 > jXPbj.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } X.ecA`0
} ; 8*Ty`G&v
8.Ufw.
5
同时,holder的operator=也需要改动: & H8 %
oRZe?h^r#
template < typename T > 3^5h:OaT
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const $PRUzFZ
{ d:"7Tw2v+
return assignment < holder, T > ( * this , t); @km4qJZ
} *7b?.{
@WNqD*)1
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 gegM&Xo
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 'x5p ?m
BS(jC
return l(rhs) = r; 70 Ph^e)
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 +;4;~>Y
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ?d+ri
0!oqP1
template < typename Tp > AN3oh1xe:
class constant_t P+BGCc%);B
{ f@[)*([
const Tp t; a,(nf1@5
public : B):ZX#
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Jg)( F|>o
template < typename T > 8!YQ9T [
const Tp & operator ()( const T & r) const *6eJmbFG
{ (:F]@vT
return t; ^4NRmlb
} `NsQ&G
} ; R !yh0y}Z
]#W7-Q;]
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 _>BYUPY
下面就可以修改holder的operator=了 Bex;!1
y5F"JjQAa
template < typename T > 7r^Cs#b+I
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !#~KSO}zW2
{ Na@;F{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *JfGGI_E
} &-{%G=5~e%
1zCu1'Wv
同时也要修改assignment的operator() ."gq[0_YS
mZc; n.$U
template < typename T2 > *C0a,G4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } $STGH
现在代码看起来就很一致了。 `"PHhCG+z
~5h4 Gy)
六. 问题2:链式操作 i /I
现在让我们来看看如何处理链式操作。 w=<E)
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。 pC0gw2n8M
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。 [[]yQ
"
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。 s,f2[6\ Y
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct GF9[|).
T
@*~yVV!5
template < typename T > 8_w6% md
struct result_1 '
`c \Dq
{ Er|&4-9
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; B~k{f}
} ; ("ix!\1K@
yUD@oOVC0
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: 9M'"q7Kh
-?:8sv*X
template < typename T > $[ S 33Q
struct ref !vRN'/(Vyu
{ :RukW.MR
typedef T & reference; [%R?^*]
} ; ks("(
nU
template < typename T > EPLHw
struct ref < T &> <*z'sUh+}
{ -T1R}ew*t
typedef T & reference; ?Fa$lE4
} ; h lc!}{$%8
}Hg\
tj}i
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: UJDI[`2
S
LeA,T
template < typename T > T+~&jC:{
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const K$D+TI)
{ ~,};FI
return l(t) = r(t); D4(73
}
^_3$f
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 L\"wz scn
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ^`dMjeF
e 2NF.
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 B*3_m
_a
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ZVJ6 {DS/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;Ccp1a~+
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 35AH|U7b
最后的布局是: F?MVQ!K*
Add Gdx%#@/
/ \ |B$JX'_
Divide 5 C"`\[F`.k
/ \ _X<V`,
p
_1 3 Sh-B!
似乎一切都解决了?不。 P|?nx"c
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。 rVsCJuxI
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。 ~Ni-}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: mVXwU](N
qa-%j +
template < typename Right > 1S[4@rZ
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const U:r^4,Mz*
Right & rt) const p
:{,~
1
{ :m]KVcF.
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 88 x2Hf5I
} ?)NgODU
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 C#qF&n
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。 h2jrO9
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。 Z.}Z2K
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。 "+XF'ZO
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。 kz0pX-@b
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? 6~34L{u
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: ^O0trM>h-
>o:y.2yCe
template < class Action > a``/x_EZMn
class picker : public Action xs
1V?0
{ U8S<wf&
public : = }ELu@\V[
picker( const Action & act) : Action(act) {} mX/'Fta
// all the operator overloaded :3N6Ej
} ; /9b+I/xY"
C>A} e6o
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。 /'4]"%i%3
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: t5CJG '!ql
Skl:~'W.&|
template < typename Right > %)ri:Q q
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const lb{X 6_.
{ /z
m+
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); w-];!;%
} btOx\y}
;fYJ]5>
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > :jy}V'bn$
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。 BN&eU'Dl]
! FVD_8
template < typename T > struct picker_maker RD6>\9
{ /H?) qk
typedef picker < constant_t < T > > result; 4`Cgz#v
{
} ; v4qpE!W27~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > J``5;%TJp
{ eN'b"_D
typedef picker < T > result; 6W<Ig;
} ; }S"qU]>8a
}ssP%c]
下面总的结构就有了: W K(GR\@
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。 00LL&ot
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。 tUksIUYD\
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Cp?6vu|RA
至此链式操作完美实现。 "#:h#uRUb
},=ORIB B:
J8B0H1
七. 问题3 au E8 ^|
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。 $azK M,<q
tl
9`
template < typename T1, typename T2 > DW>O]\I
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const
z5_jx&^Z
{ -k
}LW4
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); :*vSC: q
} a$EudD#+
zjTCq; G
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: CD.
XZA[
(Z0.H3
template < typename T1, typename T2 > BI<(]`FP;s
struct result_2 *Z+U}QhHD6
{ |kF"p~s
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 2J Wp5
} ; J|@O4g
I-Q(kWc
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? Ld'3uM/
这个差事就留给了holder自己。 YkQ=rurE
"^ aSONz
uG+eF
template < int Order > #^_7i)=~
class holder; 3*F|`js"
template <> Abpzf\F
class holder < 1 > *o6QBb
{ djn<