一. 什么是Lambda 0i}4T:J@`
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 cr!6qv1
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, @WIcH:_w-
r3X|*/
G5y>v^&H
SJY<#_b
class filler %-? :'F!1
{ 5IeF |#g
public : QG\lXY,
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} }V.Wp6"S
} ; [t55Kz*cD
oY@4G)5
%1Gat6V<'
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: Q9X7-\n
G)28#aH
i3I'n*
5Z{h!}Y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); @NMFurm
+RexQE
ra\Moy
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 td^2gjr^5
iTTe`Zr5y
XE]YKJ?|k
@MIBW)P<
二. 战前分析 r(` ;CY]@
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。 fsa
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 JlAUie8
%lZ++?&^
iq$edq[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [Af&K22M(X
/* --------------------------------------------- */ ZN!OM)@:!
vector < int *> vp( 10 ); O[Xl*9P
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); l!f/0Rx5
/* --------------------------------------------- */ }^uUw&
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); *_d+c G
/* --------------------------------------------- */ )|`eCzCB
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 6zK8-V?9F
/* --------------------------------------------- */ QC.WR'.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); SdhdXVZ
/* --------------------------------------------- */ xlVQ[Mt
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); $,ev <4I&
lyiBRMiP|
?(GMe>
4?XX_=+F|
看了之后,我们可以思考一些问题: 87%t=X
1._1, _2是什么? 6GCwc1g
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。 ,j
wU\xo`C
2._1 = 1是在做什么? !}wJ+R ^2
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~_cYy
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。 $|.x !sA
dq%N,1.F
! *\)7D
三. 动工 @`2<^-r\
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: (gBP`*2
y
XZZ)i_
FRI<A8
_3<J!$]&p
template < typename T > 5;{d*L
class assignment 21GjRPs\
{ )
Ph.
T value; FH}n]T
public : log{jF
assignment( const T & v) : value(v) {} }xTTz,Oj$
template < typename T2 > "m +Eu|{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } uy\<t
} ; vC~];!^
B&A4-w v
LNml["
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 P8!Vcy938
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment /,$;xt-J35
DbJ:KQ!*
@/H1}pM~
t5N@z
class holder 1i#uKKwE
{ l5Z=aW Q
public : K"VphKvR
template < typename T > CeS8I-,
assignment < T > operator = ( const T & t) const q7mqzMDk
{ 9>u2;
'Ls
return assignment < T > (t); {"!V&}
} "C.'_H!Ex
} ; ,0NVb7F;k
rZ 9bz}K
Fwyv>U
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: pl
Ii
KCJ zE>
static holder _1; 1qbd6D|t
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 (7`goi7M
'IBs/9=ZC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Dk|S`3
而不用手动写一个函数对象。 (~xFd^W9o
x,IU]YW@
!I]fNTv<
W=}l=o!G.
四. 问题分析 p.TR1BHw
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 \$^ z.
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 \lCr~D5
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 &}32X-~y
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ^i_mGeu
下面我们可以对这几个问题进行分析。 I?dh"*Js&
rtv\Pf|
五. 问题1:一致性 xb0hJ~e
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ^tsIgK^9H
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 *!%y.$\cE
K6~N{:.s
struct holder ??=CAU%\
{ /ivt 8Uiw
// ,,mkB6;
template < typename T > GV6!`@<
T & operator ()( const T & r) const l*uNi47|
{ a1M-F3
return (T & )r; ;j=/2vU~@
} ySP1WK
} ; uljd)kLy4O
Gv>,Ad
ka
这样的话assignment也必须相应改动: dr^pzM!N
_7~O>.
template < typename Left, typename Right > o4o&}
class assignment s#;|8_L
M
{ ncb?iJ/b^
Left l; \
Right r; +N"A5U
public : 5FtbZ1L
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} zCL/^^#
template < typename T2 > [%YA42_`LD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ye KzI~
} ; Un^QNd>
!jMa%;/
同时,holder的operator=也需要改动: H:#b(&qw2
?(Dkh${@
template < typename T > 4LtFv)i
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const K6@QZc5.!
{ =#^%; 6 6z
return assignment < holder, T > ( * this , t); }XaO~]
} 1d7oR`qr
s6OnHX\it7
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 *6e`km
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 JTNQz
E{^*^+c"h
return l(rhs) = r; x8.7])?w
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ~IZ'zuc
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: mC
n,I
k^J~l=?v
template < typename Tp > )^
R]3!v
class constant_t qg:R+`z
{ *GbC`X)
const Tp t; &BqRyUM$F
public : ,IA0n79
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} wg^#S
template < typename T > &fdH
HN
const Tp & operator ()( const T & r) const m;WUp{'
{ {CR~G2Z
return t; BZQ98"Fz*
} ,G
e7
9(
} ; <oI{:KH
w3 PE.A"Q
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 v#a`*^ ^
下面就可以修改holder的operator=了 M<r'j $g
( u@[}!
template < typename T > .6xP>!E}Q
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ,E3"AisI
{ ^6#FqK+{u
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); x6* {@J&5*
} kCL)F\v"iT
T_\HU*\
同时也要修改assignment的operator() N)lzX X
w}G2m)(
template < typename T2 > 2JYp.CJv
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 4wX{ N
现在代码看起来就很一致了。 C<r7d [
@ z#;O2
六. 问题2:链式操作 @SDsd^N{2P
现在让我们来看看如何处理链式操作。 El Z'/l*\
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 /v:g' #n
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 r7c(/P^$G
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。 }+nC}A"BC
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct NO P~?p
pB|L%#.cW
template < typename T > Qpndi$2H!
struct result_1 |0U"#xkf
{ +)^F9LPl
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; [N$da=`wv
} ; `mQY%p|
U;D!m+.HK
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: `x lsvK>
2"~!Pu^.j
template < typename T > <P3r+ 1|R
struct ref ta> g:
{ Dp6]!;kx
typedef T & reference; `FHHh
} ; 2*vOo^f
template < typename T > VjtI1I
struct ref < T &> xH;qJRHa
{ C (vi ns
typedef T & reference; w
(W+Y+up
} ; gAhCNOp
@X>k@M
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ^b~&}uU
;o,t*
template < typename T > b3wE8Co
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const
$Tfq9
{ t LdBnf
return l(t) = r(t); a^'1o9
} $yIcut7
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 S6B(g_D|
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 k;3Bv 6
GfUIF]X
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 &32qv`
V_
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ;DL|%-%;$r
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 |VB}Kv
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 }9R45h}{<
最后的布局是: nZfTK>)A0
Add 6dV@.(][a
/ \ xrA(#\}f$
Divide 5 KZ6}),p
/ \ j1N1c~2
_1 3 *qAF#
似乎一切都解决了?不。 nSz Fs(]f
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。 g(33h2"
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。 ^TyusfOz
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: U`,&Q]
[@"H2#CQ
template < typename Right > ?;0=>3p*0
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const {p|OKf
Right & rt) const ]cc4+}L~
{ |b;}'
*
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;*:d)'A
} HW|c -\tS
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ZFOYYht
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。 UG s
<<
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。 I.fV_
H^
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。 >B>CV8p6w
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。 RecA?-0
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? O4@Ki4f3A%
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: -DlKFN
NS#qein~i
template < class Action > oIt.Pc~;'#
class picker : public Action zG[fPD
{ K)]7e?:Wu
public : S6 $S%$
picker( const Action & act) : Action(act) {} y+(<Is0w
// all the operator overloaded /R''R:j
} ; [@";\C_I
N;F1Z-9
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。 -3qB,KT
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: J{@gp,&e
PkLRQ}
template < typename Right > &{7n
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ::dLOf8o
{ P~#!-9?
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); =3{h9
} :t(gD8 ;
G`R Ed-Z[
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > >L$y|8O
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 s^^X.z ,
5w gtc~
template < typename T > struct picker_maker Q# }} 1}Ja
{ (i|`PA
typedef picker < constant_t < T > > result; -vGyEd7
} ; +AZ=nMgW
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ,M>W) TSH
{ H'<9;bD -
typedef picker < T > result; 3rZFN^
} ; Nn
?B D4i
o2W pi
下面总的结构就有了: +IuV8XT2(
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 k!xi
(l<C
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 T5z %X:VD(
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 DOkEWqM!
至此链式操作完美实现。 =oluw|TCe7
)"&-vg<
Z%`}
`(
七. 问题3 Q[i;IbY
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 x~$P.X7(~
GLwL'C'591
template < typename T1, typename T2 > BXa1[7Z
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const NRcg~Nu
{ 6vX+-f
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6O"Vy
} 'M_8U0k
`tVBV:4\
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: 7V 4iPx
MCurKT<pQ
template < typename T1, typename T2 > 1ScfX\F=
struct result_2 BC(f1
{ ]g IXG`
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ,ZD!Qb
} ; Sj+gf~~
yZb@
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? =V"ags
这个差事就留给了holder自己。 L
FHyiIO
|O+R%'z'<
'$
s:cS`=
template < int Order > L0UAS'hf
class holder; -njxc{b
template <> z:+Xs!S
class holder < 1 > ,T|iA/c
{ 3Nr8H.u&q
public : *gMuo6
template < typename T > Y;e@`.(
struct result_1 56>Zqtp*
{ ,$}P<WZMu
typedef T & result; \z:p"eua z
} ; %a5Sc|&-
template < typename T1, typename T2 > &'WgBjP
struct result_2 *#N%3:@T
{ 7vNS@[8
typedef T1 & result; T(a*d7
} ; g|"z'_
template < typename T > ) OZDq]mV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const HjGT{o
{ A7VF
>{L./
return (T & )r; ^P"t
"
} a+A/l
template < typename T1, typename T2 > 2}[rc%tV:?
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const $]|_xG-6{
{ R
j(="+SPj
return (T1 & )r1; $ n n4
} Vn];vN
} ; VY=~cVkzS
GY@Np^>[a
template <> 9rn! U2
class holder < 2 > @F=ZGmq
{ 8}xU]N#EV
public : E IEwrC
template < typename T > {4}Sl^kn*
struct result_1 V *S|Qy!p
{ @a%,0Wn
typedef T & result; LMsbTF@E
} ; GS8,mQ8l*l
template < typename T1, typename T2 > bCd! ap+#
struct result_2 WVy"MD
{ P/nXY
typedef T2 & result; Sl:\5]'yJ
} ; -/#3U{O
template < typename T > b'3#FI=:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const MMhd -B1O&
{ 8 Sl[&
return (T & )r; 0<nKB}9
} YX^{lD1Jj
template < typename T1, typename T2 > q/Q^\HTk
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const tSYeZ~
{ wKk
return (T2 & )r2; .IF dJ
} -d_FB?X
} ; j|lg&kN
eC[g"Ef
o|^0DYb
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> >。 '?yZ,t
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: F
b`V.
首先 assignment::operator(int, int)被调用: oJ6
d:
J)'6 z
return l(i, j) = r(i, j); p&