一. 什么是Lambda K D-_~uIF
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 %^l&fM*
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, ~yi&wbTjM
=Yj[MVn
I7PWOd
@c!67Z
class filler tlERis
{ 8-5jr_*
public : SU'1#$69F
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} nh=Us^xD
} ; 9`v:$(I
ZY!pw6R1>*
1:!rw,Jzl`
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: i 9tJHeSm
3Gl]g/
rgzI
7=.VqC^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Au._n,<
'B5J.Xe:
R[9PFMn
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 JGDUCb~
I!7.fuO
RpK,ixbtA+
0bxvM
二. 战前分析 x\hn;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。 WQLL[{mhS
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 ptcLJ]+)
q&$0i
y [9}[NMZ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); To8v#.i
/* --------------------------------------------- */ M}oj!xGB
vector < int *> vp( 10 ); . 02(O
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ?*R^?[
/* --------------------------------------------- */ Fl+tbF
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); vx5o
k1UY
/* --------------------------------------------- */ ]6%%X+$7
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~:}XVt0%8
/* --------------------------------------------- */ 'Tf#S@o
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 8cBW] \ v
/* --------------------------------------------- */ CAFE}|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); LYy:IBI7_
g.Caapy
FX|lhwmc(
h[|zs>p
看了之后,我们可以思考一些问题: aBVEk2 p
1._1, _2是什么? 3@ F+ E\k
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。 c7l!G~yx'
2._1 = 1是在做什么? So\| Ye
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。 X|damI%
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。 !Zyx$2K
y|+~>'^JR
p]V-<
三. 动工 R#7+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: &X]=Qpl
ptWG@"j/b
BtpjQNN
x:n9dm
template < typename T >
TCKI
class assignment 2.Eu+*UC
{ kJvy<(iG
T value; ngkeJ)M0$
public : `m@]
assignment( const T & v) : value(v) {} #1jtprc
template < typename T2 > SCh7O}
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 61+pryW%g
} ; Dmm r]~
fs3-rXoB
CVGOX z
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 (|36!-(iK
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment X6Nm!od'
5 <)gCHa
43u PH1
)
-l40)^ E}
class holder PK2Rj%
{ pRiH,:\
public : Xv-1PY':pA
template < typename T > UE&C
assignment < T > operator = ( const T & t) const pRrqs+IJZ\
{ zh{@?k
return assignment < T > (t); l)i&ATvCE
} Q/3tg
} ; *_{l
p(H)WD
"BLv4s|y7L
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: "%}Gy>;
TJyH/C
static holder _1; nqurY62Ip
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 \2].|Mym
N
o_$!)J.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ^z *):e
而不用手动写一个函数对象。 z)ft3(!
0279g
2Z/][?Jj{
\f /!
四. 问题分析 rF8W(E_=
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 }1a <{&
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ?`N57'iPb
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 l`v
+sV^1
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 _>gXNS r4u
下面我们可以对这几个问题进行分析。 '&.)T2Kw
R8=I)I-8
五. 问题1:一致性 a+YR5*&[OO
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 4]DAh
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 z\Pe{J
.# !'c
struct holder Nl$gU3kL
{ hs!UX=x|
// TbKP8zw{
template < typename T > O?nPxa<
T & operator ()( const T & r) const H)`C ncB
{ xf V,==uF
return (T & )r; k9^+9P^L
} _C< 6349w
} ; QD.zU/F~>
dN]Zs9]
这样的话assignment也必须相应改动: inr%XS/m
2Y E;m&
template < typename Left, typename Right > 4T-,'P{?
class assignment KMxNH,5
{ 2~G,Ia
Left l; X
zi'Lu`
Right r; $zk^yumdE
public : *Fa)\.XX
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} )K>Eniou
template < typename T2 > 05l0B5'p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } c N02roQl
} ; ] ?DDCew
Q(~3pt
同时,holder的operator=也需要改动: @9}),hl`
"*Lj8C3|n
template < typename T > 8
3z'#
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const :X'*8,]KHH
{ z+3<$Z
return assignment < holder, T > ( * this , t); LJRg>8
} ZNzR`6}
_'!aj+{
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。 &\;<t,3A~
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 T[5gom
P &;y]
,)E
return l(rhs) = r; Od0S2hHO
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。 y-w2O]
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ${A5-
G0_&gx`
template < typename Tp > ,{.zh&=4
class constant_t U0NOU#
{ (Oxz'#TX
const Tp t; A[u)wX^`f^
public : Vk MinE
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} l,*yEkU
template < typename T > JP{UgcaF
const Tp & operator ()( const T & r) const 5SoZ$,a<e
{ NoFs-GGGh
return t; dO>k5!ge|:
} 1^Kj8*O8e
} ; 6B7<
DJmoW
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 A)\>#Dv
下面就可以修改holder的operator=了 ;;ER"N
"KMLk
template < typename T > jrIA]K6
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const `^v4zWDK
{
S304ncS|M
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); u9TzZ
} HG2N-<$
-'I _*fu
同时也要修改assignment的operator() k4S} #!
l%rx#;=u
template < typename T2 > p]wP36<S!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } /SnynZ.q
现在代码看起来就很一致了。 mgy"|\]
sCVI 2S!L
六. 问题2:链式操作 CD^CUbGk
现在让我们来看看如何处理链式操作。 "e~k-\^Y
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。 S3SV.C:z>
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。 'I&|1I^
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。 ,`;jvY~Ec
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct HR;/Br
+IG1IF
template < typename T > i\(\MzW*'
struct result_1 M(qxq(#{U
{ Ej'
7h~ =v
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; *i`v~>
} ; UE^D2 u
+AB6lv
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: rFhW^fP/
3AK(dC[ri
template < typename T > 1<`9HCm
struct ref w|=gSC-o
{ N6h1|_o
typedef T & reference; 6MuWlCKF8
} ; (YIhTSL"]
template < typename T > Z)/6??/R
struct ref < T &> Kaf>
{ `8,w[o oC2
typedef T & reference; PfyRZ[3)c
} ; \ZS\i4
w TlGJ$D0
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: sYI~dU2H
QjLji+L
template < typename T > p"KU7-BfvC
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const O:1DOUYXs
{ -PM)EGSk{
return l(t) = r(t); prZ55MS.
} #Rc5c+/(
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 eK9TAW
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 B#]_8svO
tVunh3-
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 :y\09)CJK
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: S."7+g7Ar
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 I0DM=V>;
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 hm3jpWi8
最后的布局是: r=qLaPG
Add yIOLs}!SF
/ \ U h.Sc:trA
Divide 5 ;+
G9-
/ \ ^|aNG`|O
_1 3 @44P4?;
似乎一切都解决了?不。 +jtA&1cf
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 " \:ced
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 &s:=qQa1
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 4YLs^1'TG0
;`kWpM;
template < typename Right > W}h|K:-S
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const X/Y#U\
Right & rt) const GQx9u^>
{ 0qv$:w)g+v
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); pW{8R^vKm
} /&h+t^l_Qj
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 "x&3Z@q7
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。 ?vu_k 'io
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。 ^n9a" qz
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。 ,-@5NY1q
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。 7UKYmJk.
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? *zy'#`>
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: RlsVC_H\
1kmQX+f
template < class Action > O%-h&C3
class picker : public Action 7 jjU
{ VFO\4:.
public : YX*0?S
picker( const Action & act) : Action(act) {} /BpxKh2p
// all the operator overloaded 1TjZ#yP%1
} ; 2J<&rKCF
hmZvIy(
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。 yG&2UqX
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: S$eDnw~$
u g\w\b
template < typename Right > Kd3QqVJBz1
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const :Q_x/+-
{ {B0h+. C
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); JRO$<
} pUCK-rL
qX$u4I!,
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 5h8o4
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。 -(>qu.[8=
xhw-2dl*H
template < typename T > struct picker_maker 6z?gg3GV
{ ~O:
U|&
typedef picker < constant_t < T > > result; |)o#|Qo
} ; t};~H\:
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > SMoz:J*Q(
{ Km3&N
typedef picker < T > result; zoP%u,XL
} ; "+|L_iuNQ
\Hwg) Uc{
下面总的结构就有了: F98i*K`"
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。 hazq#J!
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。 xd8
*<,Wj
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ~ y;y(4<
至此链式操作完美实现。 pm USF #u
W#XG;
\M(*=5
七. 问题3 u@=?#a$$
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。 9vI]LfP
^bUxLa[.
template < typename T1, typename T2 > B9X8
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 7>i2OBkAhB
{ k\N4@UK
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); A+
0,i
} E'c%d[:H,
c8A`<-\MfB
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: [B^ G-
44sy`e
template < typename T1, typename T2 > #
|^^K!%
struct result_2 Cd]/
{ GBP-V66
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ._CP%
R
} ; <7n]Ai@Y
1H{jy^sP 7
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? R$m`Z+/@
这个差事就留给了holder自己。 iOqk*EL_r\
0a2@b"l
cDV^8 R
template < int Order > $h28(K%
class holder; "0&N}
template <> G'x .NL
class holder < 1 > E\{< ;S
{ vR>o}%`
public : z`$J_Cj Y
template < typename T > wJG$c-(\0
struct result_1 ;sPzOS9
{ K: r\{#9
typedef T & result; N.j
"S'(i
} ; QH@>icAb
template < typename T1, typename T2 > x<B'.3y
struct result_2 "5!BU&
{ 7m1KR#j
typedef T1 & result; |L:Cn J
} ; m)&znLA
template < typename T > Llz['"m
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const =AOWeLk*G
{ G&9#*<F$c
return (T & )r; "uD=KlA
} K7`YJp`i
template < typename T1, typename T2 > >q7
%UK]&
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const tRfm+hqRZ
{ ;D2E_!N
dt
return (T1 & )r1; 8_we:
9A
} j"7
JLe*
} ; smU4jh9S
OX hAha`R
template <>
K5"sj|d&
class holder < 2 > ;")A{tX2
{ &M"ouy Zo9
public : O\beKBT;
template < typename T > H\G{3.T.9
struct result_1 uV]ULm#,i
{ E{Vo'!LY
typedef T & result; eD;6okdP
} ; >Pal H24]
template < typename T1, typename T2 > {aj/HFLNY
struct result_2 \54}T4R
{ "{BqtU*.
typedef T2 & result; zlf}.
} ; VOgi7\
template < typename T > .;I29yk\XS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Nhf~PO({&
{ [ygF0-3ND
return (T & )r; ')#,X^
} | {P|.
template < typename T1, typename T2 > zV.pol
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const :nGMtF
{ e<\<,)9@/
return (T2 & )r2; (GU9p>2
} &a)vdlZSE=
} ; 1~5trsB+5
;Ss$2V'a
Ka-p& Uv1<
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> >。 8L{u}|{
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: zQ8!rCkg4
首先 assignment::operator(int, int)被调用: |!*Xl)
]
l},NcPL`
return l(i, j) = r(i, j); vA&Vu"}S
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) H7&xLYQ2
,E*R,'w
return ( int & )i; l\Ftr_Dk
return ( int & )j; {=JF=8@A
最后执行i = j; 'ZHdV,dd
可见,参数被正确的选择了。 <