一. 什么是Lambda ikEWY_1Y
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 \_*?R,$3Y,
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, `jD8(}_
/|4Q9=
dWzDSlP&
R&u)=~O\5
class filler {AU` }*5
{ c,v^A+sZu
public : ]jVIpGM
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} oj,HJH+
} ; SR&(HH$
5 {T9*
@Og\SZhn
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: @{J!6YGh
N.fQ7z=Z(M
"e1{V8
4
hj^G}4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); E5,%J
s)=!2A Y
VfL]O 8P>
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 8Pr&F
FbNH+?
lfU"SSQ
N>&{Wl'y \
二. 战前分析 P.[6s$J
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ?V&Ld$db
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 F]K$u<U
\N#
HPrv}
]t.WJC %
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); zh#OD{
/* --------------------------------------------- */ ue6/EN;}
vector < int *> vp( 10 ); ,$MWk(S
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); nvO%
/* --------------------------------------------- */ EuKrYY] g
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Z/V`Z* fy
/* --------------------------------------------- */ UA69_E{JCH
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); )#b}qc#`
/* --------------------------------------------- */ mJ6t.%'d
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); PTuCN
/* --------------------------------------------- */ I,],?DQX2)
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); }$&T
O$LX
mr{k>Un\
%:'1_@Ot2
!L0E03')k
看了之后,我们可以思考一些问题: ()JYN5
1._1, _2是什么? !^Z[z[
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。 3X-{2R/ 3
2._1 = 1是在做什么? %KabyvOl)
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。 g[=\KrTSg
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。 .-C+0L1j
E>l#0Zw
2R_opbw
三. 动工 C,OB3y
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: G<">/_jn
C;58z5*,
<eud#v
Y5h)l<P>B
template < typename T > ]HNT(w@
class assignment )M&Azbu
{ *7xQp!w^
T value; +YQ)}v
public : #"=yQZ6Y
assignment( const T & v) : value(v) {} nU?Xc(Xy
template < typename T2 > {L-{Y<fke
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } wRV`v$*6
} ; %mB!|'K%
;*>QG6Fh
]Vf8mkDGO
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 M@!]U:5~V
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment YWcui+4p}
&P,4EaC9;
=B/s HN
(?*mh?
class holder Y-neD?V N
{ ySr091Q
public : DiGUxnP
template < typename T > dFI.`pB
assignment < T > operator = ( const T & t) const m&3HFf
{ .swgXiRvs
return assignment < T > (t); J#Ne:Aj_
} PoBukOv
} ; NR;S3-Iq(
z/P^-N>
A_6/umF[ZA
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: >"sKfiM)b
0f=N3)
static holder _1; j-I6QUd
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 4Rrw8Bw
=CG!"&T
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); \K_!d]I {
而不用手动写一个函数对象。 N)
V7yo?
Ybn=Gy
VxPTh\O*[
Y00i{/a 8
四. 问题分析 bAy5/G!_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。 st'?3A
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。 $:-= >
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 #/XK&(X
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 }'w^<:RSy
下面我们可以对这几个问题进行分析。 G8<It5CU
]mD=Br*r~
五. 问题1:一致性 8ZNd|\
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| e$/Zb`k
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 qN`]*baS
x%:>Ol
struct holder B!E<uVC
{ ,h^;~|GT
// @WDqP/4
template < typename T > X/;"CM
T & operator ()( const T & r) const R<0!?`b
{ ,39$iHk
return (T & )r; zhR_qW+
} 6Ymo%OT
} ; V)?x*R*T)
#:ED 0</
这样的话assignment也必须相应改动: m|Q&Lphb8
M*T# 5
template < typename Left, typename Right > qI V`zZc
class assignment 2)I'5?I
{ G.q^Zd#.T
Left l; v;F+fOo
Right r; T h- vG
public : 9^Vx*KVrU
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} d@>k\6%j
template < typename T2 > bbPd&7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } <8z[,X}bM
} ; um0}`Xq ^
=|{,5="
同时,holder的operator=也需要改动: w3?t})PB&
Kz*AzB
template < typename T > iqv\ag
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const k`4\.m"&
{ E*T84Jh6
return assignment < holder, T > ( * this , t); T=f;n;/>
} h> 5~
(n8
z_,]fd=o
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 xz+`]Q
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 dXK~
Z:
W%jX-
return l(rhs) = r; 4Igs\x{i
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 5Ret,~Vs9|
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: RWh}?vs_
W!Ct[t
template < typename Tp > y3o4%K8
class constant_t M3Z Jt' |
{ ?=@Q12R)X
const Tp t; H R!>g
public : j>Bk; f|
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} OAnn`*5Up
template < typename T > OrH1fhh
const Tp & operator ()( const T & r) const YDzF( ']o:
{ sp|y/r#
return t; [q+39
} !#|fuOWe
} ; %Pvb>U(Xs
!\k#{
1[!
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 y88}f&z#5
下面就可以修改holder的operator=了 {ZIFj.2
Mp@(/
template < typename T > ,E8>:-boL
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const y@8399;l
{ 9q@YE_ji
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); (XIq?c1T
} #]\G*>{
yI|?iBc7nC
同时也要修改assignment的operator() vheAh`u^&
OFAqP1o{$
template < typename T2 > {j=hQL3
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } <!HDtN
现在代码看起来就很一致了。 +&zuI
7Caap/L:
六. 问题2:链式操作 o >4>7
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Zz*mf+
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。 [6gHi.`p'
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。 %Ja{IWz9L
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。 E,?aBRxy
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 8Carg~T@
@U.}Ei
template < typename T > m=l3O:~J
struct result_1 ]3#
@t:>
{ kd4*Zab
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; +n~rM'^4/
} ; 9M~$W-5
\,#4+&4b
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: Pc
?G^
Xol
F1[[fH
template < typename T > 3\l9Sf=M|
struct ref ]~ 8N
{ <.B> LU
typedef T & reference; mt]YY<l
} ; wU3ica&[
template < typename T > kX .1#%Ex
struct ref < T &> tZBE& :l
{ ;A'17B8
typedef T & reference; l#f]KLv4N_
} ; 9d(v^T
>Vm
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: eS%6hUb
"ZB`fNE
template < typename T > ..{^"`FQ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ^aM/BS\
{ 5+"8q#X$
return l(t) = r(t); <@ex})su
} LzSusjEW@
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。 6]A\8Ty
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 l fhKZX
,ui'^8{gK
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 WG=r? xE
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: LO*a>9LI
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 GT}#iM
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 xfQ;5n
最后的布局是: `ZV'7|
Add U5%]nT"[]
/ \ t"Rf67
Divide 5 mpJ_VS`
/ \ ?Lb7~XKt\
_1 3 Ps 5wQaS
似乎一切都解决了?不。 YZu#0)
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。 #Z5Wk
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。 7Ki7N{Kt
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: m64\@
[
]`U?<9~Ob
template < typename Right > z#67rh{
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const D(?#oCCA
Right & rt) const FOyfk$
{ |L-juT X9
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); (D3m5fO
} .5 r0%
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 A+*(Pds
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。 GB Un" _J
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。 ?Og ;W9i
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。 F<<H [,%0
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。 >(J!8*7
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? XYVeHP!
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: 62E(=l
itMc!bUQ
template < class Action > G2k71{jK
class picker : public Action 8j+;Xlh
{ GgZf6~b1J
public : \:28z
picker( const Action & act) : Action(act) {} dL"i\5#%A
// all the operator overloaded =v"{EmT[$
} ; !t{!.
ozwqK oE
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`Y}P1y*
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: 01w/,r
$l"(tB7d
template < typename Right > Cagq0-:(p
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const E&v-(0
{ 82l";;n4p
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); gvt4'kp
}
0$uS)J\;K
ur5n{0#
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > WL]'lSHa
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。 e.h:9`"*
.v8=zi:7Y
template < typename T > struct picker_maker N=x,96CF
{ N/.9Aj/h~&
typedef picker < constant_t < T > > result; GY :IORuA4
} ; ~<R~Q:T
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ai2}vR
{ 7nIMIkT:
typedef picker < T > result; ZS;kCdL
} ; ZXkAw sr
AG=1TZI"
下面总的结构就有了: >qZRIDE5$
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。 mJqP#Unik
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。 =~*u(0sJa
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Y^f|}YO%y
至此链式操作完美实现。 K|!)<6ZsG7
P1jkoJ
V!!'S
h
七. 问题3 _Y~?. hs^
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。 v:b%G?o
|9JYg7<
template < typename T1, typename T2 > LRgk9*@,
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 94/}@<d-=
{ o4795r,jz
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); IC42O_^
} 69L&H!<i:
]kvE+m&p}^
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: jlZNANR3
7MfvU|D[d/
template < typename T1, typename T2 > Jl}7]cVq#
struct result_2 ~=Sr0+vV
{ }=)"uv
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 93,ExgFt
} ; ,+{ 43;a
2/WXdo
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? ? 'nMZ
这个差事就留给了holder自己。 AO]e^Q
BJTljg({o
XoOe=V?I )
template < int Order > ABf#!G
class holder; KcE=m\ h
template <> J0o[WD$Ax
class holder < 1 > !b_IH0]U
{ _l<"Qqt
public : PVQ%y
template < typename T > bSzb! hT`
struct result_1 `WL*Jb
{ a WC
sLH
typedef T & result; >n62csO
} ; ==9Ez
template < typename T1, typename T2 > l0V@19Ec
struct result_2 N*;/~bt7P
{ H(| v
typedef T1 & result; #{a <{HX
} ; (C|%@6 1S
template < typename T > z'*>Tk8h
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 6w#v,RDEu
{ e V#H"fM
return (T & )r; c{0?gt.
} Q=E6ZxH5;
template < typename T1, typename T2 > ]a()siT
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const #t*c*o
{ 7tQiKrhp
return (T1 & )r1; LgYzGlJp
} P7!Sc
} ; 7;V5hul
"`wq:$R
template <> 2J5dZYW
class holder < 2 > 8h=XQf6k0
{ c@P,
public : > im4'-
template < typename T > j--#vEW
struct result_1 &-9D.'WzP
{ BN67o]*]<
typedef T & result; =v}.sJ V?
} ; rkrt.B
template < typename T1, typename T2 > 'lF|F+8
struct result_2 EOiKwhrV
{ 3h>Ji1vV
typedef T2 & result; /WMLr5
} ; )/Vr 5b@
template < typename T > a &j?"o
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 'AoH2 |
{ ( KrIMZ
return (T & )r; ~kga+H
} =
zSrre
template < typename T1, typename T2 > Ra5cfkH;
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const WF]:?WE%
{ \`^jl
return (T2 & )r2; ),_bDI L+
} T/ov0l_
} ; f$/D?q3N
w>eOERZa
RL%{VE
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 OkM>
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: -llujB%;,e
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ~Hq
2'
l #Tm`br
return l(i, j) = r(i, j); }`X$
'
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) b]~M$y60q
Hcpw[%(
return ( int & )i; K|&