一. 什么是Lambda U 7?ez
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 eRbO Hj1
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, ~G:7*:[b
l[ k$O$jo
:B~c>:
'"^JNb^I
class filler \f#ao<vQm
{ !f6
public : YvX I
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} [*t EHW
} ; v(~m!8!TI
*E'K{?-K
-^DB?j+
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: UtN>6$u
Y[4B{
ow"Xv
;0'v`ob'.?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); FO$Tn+\ 6
UepBXt3)
+_Z/VQv
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 566Qikw2
lfP|+=^B
^cm^JyS)
ri
~2t3gg
二. 战前分析 z^.0eP8\j
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。 y
rk#)@/m
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 flqTx)xE
5@ug1F&
Q
# gHD
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); X $f%Ss
/* --------------------------------------------- */ %3j5Q
vector < int *> vp( 10 ); )VC) }
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); PQ>JoRs
/* --------------------------------------------- */ $'q(Z@
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); nCU4a1rZ
/* --------------------------------------------- */ cx}-tj"m-
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); k9n93I|Cm
/* --------------------------------------------- */ hLRQ)
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); pyKag;ZtP
/* --------------------------------------------- */ ,e2va7}3
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ,H*3_c&Q
t=AR>M!w~
M %~kh"
^> fs
看了之后,我们可以思考一些问题: "L]_NST
1._1, _2是什么? `Z-`-IL
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 c+=&5=i[3
2._1 = 1是在做什么? 2B7&Ll\>
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 5oS\uX|
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 o6 /?WR 9
Cmj)CJ-
q@:&^CS
三. 动工 jPfoI-
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: /7^~*
H;2pk
(&(f`c@I
PW}.`
template < typename T > Cp%|Q.?
class assignment PBmt.yF
{ 0*)79Sz
T value;
U{EW +>
public : q<VhP2R
assignment( const T & v) : value(v) {} (P ?9Jct
template < typename T2 > T (qu~}
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; }
cO:x{~
} ; i(WWF#N5
2xX7dl(cC
J5k%
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 f@0`,
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment c,@6MeKHq
v,;?+Ck
=R05H2hs
\cG'3\GI
class holder \1ZfSc
{ qb Q> z+c
public : x+pFu5,
template < typename T > Ero3A'f
assignment < T > operator = ( const T & t) const o#i{/#oF
{ (rJvE*
return assignment < T > (t); Gkl#s7'
} Ot?rsr
} ; 7u zN/LAF
xk/(|f{L
>qE$:V"_5
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: t`Sh!e
U&6f}=vC
static holder _1; :|a[6Uwl\V
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 F<$&G'% H
y{&,YV&_h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nMhc3t
而不用手动写一个函数对象。 .NKN2
4:.M*Dz
/SiQw7yp%
L|<Mtw
四. 问题分析 {'1,JwSmb
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 <6@Db$-
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。 >9 iv>
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 KvQ9R!V
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 du !.j
下面我们可以对这几个问题进行分析。 "jSn`
FB@G.f
五. 问题1:一致性 yZ`\.GgC^&
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?| (~jOtUyT
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 WI%,m~
`)'YU^s
struct holder L,i-T:Z~=
{ }sFHb[I &
// IoC,\$s,
template < typename T > [K5afnq`
T & operator ()( const T & r) const B-RaAiE@
{ >(3y(1;
return (T & )r; ;/v^@
} u>BR WN
} ; %vW@_A~
{0?76|
这样的话assignment也必须相应改动: %:NI@59
V{][{5SR
template < typename Left, typename Right > 1peN@Yk2W
class assignment '>Z
Ou3>
{ /#tOi[0[
Left l; U-@\V1;C
Right r; t4h* re+
public : uB\A8zC
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} o\N),;LM
template < typename T2 > k20tn
ew
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } |K]tJi4fz
} ; dQ<EDtap
l{<@[foc
同时,holder的operator=也需要改动: 139_\=5|U/
Y9ru~&/o$
template < typename T > hGsYu )
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ujaaO6oZ7
{ o!Y7y1$
return assignment < holder, T > ( * this , t); MD +Q_
} V[~/sc )
Lr`yl$6
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 w0pH|$"/P
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 B{44|aq1 |
3o h(d.Z
return l(rhs) = r; N)QW$iw9
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 >6c{CYuT
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: #<{sP0v*
=7a9~&|
template < typename Tp > sPut@4[S
class constant_t Lx.X#n.]T
{ ~MOIrF
const Tp t; 9BP-Iet
public : oYW:ptJ
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 4g|}]K1s
template < typename T > FbF P
const Tp & operator ()( const T & r) const (f7R~le
{ |1#*`2j\=9
return t; sq_
f[!
} .RdnJ&K*
} ; Au9Rr3n
)<%GHDWL
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 d+8Sypv^4*
下面就可以修改holder的operator=了 z hS\|tI
n;[d{bU
template < typename T > LqNsQu";
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const _k&vW(O=:
{ :AL
nm0d
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); O9bIo]B
} Pwf":U)
"5=Gu1
同时也要修改assignment的operator() ^]K_k7`I
,#nyEE
template < typename T2 > 5-*/wKjLz
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } (<|,LagTuc
现在代码看起来就很一致了。 3:s!0ty"
G22u+ua
六. 问题2:链式操作 'vBuQinn
现在让我们来看看如何处理链式操作。 !Eu}ro.}
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 i!(u4wTFF
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Tv!zqx#E
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 29:] cL(5
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct o!:
u{J$]%C
template < typename T > F8nR.|
struct result_1 *y0TtEd;
{
`ml
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; L\aG.\
} ; }gete'I
5y0N }}
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: wZ0RI{)s'
X3@Uih}|
template < typename T > ;O+=
6>W
struct ref ]@0C1r
{ )1N~-VuT
typedef T & reference; Dr)B0]KG
} ; ',P$m&z
template < typename T > h:xvnyaI
struct ref < T &> <v%Q|r
{ 0-6rIdDTM
typedef T & reference; :pq+SifP
} ; Fsz;T;
6o6I]QL
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: n86LU Sj5
~7ZWtg;B
template < typename T > *lc|iq\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const u^, eHO
{ DZ"'GQSg
return l(t) = r(t); W^k95%zBM
} fS?}(7
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。 \ ,D>zF
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 a]]eQ(xQ
sFt"2TVr3
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 l|v`B6(
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: S"HdjEF7\
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 I'}&s|6
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 lha)4d
最后的布局是: #x*\dL
Add ~bf4_5
/ \ H%pD9'q~
Divide 5 e>0gE`8A
/ \ DaP,3>M
_1 3 AT%6K.
似乎一切都解决了?不。 42M_ %l_
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。 41g
"7Mk
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。 CVE(N/&b
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: 5:|9pe)
Np7+g`nG
template < typename Right > tTOBKA89
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ~[<C6{
Right & rt) const 'hR0JXy
{ GHY+q{'#V_
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ZmI0|r}QbY
} f*}}Az.4
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 DQ<4`wE M
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。 nr&bpA/
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。 ijP`fM8
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。 Fs"i fn0
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。 ?zex]!R
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? >$,P )cB'
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: .d I".L
D%L^[|)c\s
template < class Action > oz:"w
nX
class picker : public Action #/_{(P
{ P?p]sLrP
public : |M`'
picker( const Action & act) : Action(act) {} gFqF&t
// all the operator overloaded )pSA|Qt N
} ; x
]">
p]0`rf!|
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。 JkhW LQ>o
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: ,p{naT%R
Dj>eAO>
template < typename Right > djH&)&q!
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const eR%\_;}7;
{ Qk? WX
(`B
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4C/G &w&
} da<