一. 什么是Lambda DJ<e=F!
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 $p9XXZ"*
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, 9jvg[H
SX
FF
W>@+H"pZ
;$0za]x
class filler iPkG=*Ip(%
{ W<9GwMU
public : X;}_[=-
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ;=e A2
} ; =%RDT9T.
]|732Z
"4r5 n8
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: K1eoZ8=!
iP_rEi*-J
E!Ng=}G&_
&1Az`[zKGW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); }D=h"\_=
+ckj]yA;
tv;3~Y0i
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 4/d#)6
}B]FHpi
>U) ,^H(
{'vvE3iZ
二. 战前分析 Lnj5EY er
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ^Xb!dnT.*a
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 rre;HJGEL
{'X "9@
,p 'M@[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); O &X-)g=
/* --------------------------------------------- */ 95(VY)_6#A
vector < int *> vp( 10 ); {+`ep\.$&
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); (d!vm\-PH
/* --------------------------------------------- */ "#JoB X@yE
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); A"P1B]
/* --------------------------------------------- */ :Mt/6}
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); h{TnvI/"
/* --------------------------------------------- */ -,+JE0[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 9(B)
/* --------------------------------------------- */ |Z"hq
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); v=W%|iZ
lL83LhE}<
Rdv"Aj:
m1`ln5(R
看了之后,我们可以思考一些问题: XM_S"
1._1, _2是什么? hpw;w}m
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。 iu:e> r
2._1 = 1是在做什么? $[1 M2>[
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 _e-a>y
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Z`:V~8=l
fmSA.z
)c!f J7o:
三. 动工 x t-;7
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: DSIa3!0
()SG
T
>%W"u`Q
template < typename T > %Ajf|Go0/G
class assignment "+AeqrYYm5
{ R.RCa$
T value; \K)q$E<!
public : !AMPA*
assignment( const T & v) : value(v) {} j5RMS V
template < typename T2 > xW^<.@Agm
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 2xjS;lpw
} ; M1oCa,8M+
8p!PR^OM@
+6TKk~0e^
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 VX- f~
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 3Zbvf^
jUfc&bi3
QP qa\87
8,H
class holder fNlUc
{ }LE/{]A
public : 8T2$0
template < typename T > c8u&ev.U
assignment < T > operator = ( const T & t) const \C>I6{
{ w.V8-9{
return assignment < T > (t); sDwSEg>#B
} bZKK'd$I
} ; TQ>1u
!u=[/>
_-h3>.;h9
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: DG&
kY+
%f>V\z_C
static holder _1; 0ogTQ`2Z:
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ~+|p.(I
C f<,\Aav
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 );
^h'
wZ7-\
而不用手动写一个函数对象。 3<'n>'
}5%!:=
bS0LjvY9g
kdv>QZ
四. 问题分析 /njN*rhx&Z
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。 /FQumqbnt
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。 oinF<-(
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 JNsK
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 2'/ ip@
下面我们可以对这几个问题进行分析。 x0 j$]$
^6obxwVG
五. 问题1:一致性 0z%]HlPg
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?| bhFzu[B
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 q 3
9RD
*VD-c
struct holder 44cyD _(
{ C:H9C
// 5Rc
5/ m
template < typename T > _I75[W!
T & operator ()( const T & r) const 2!l)%F`
{ p>!`JU`{?
return (T & )r; tcmG>^YM
} *)"`v]
} ; eH75:`
Vw+U?
这样的话assignment也必须相应改动: +A/n<VH
;K`qSX;;c(
template < typename Left, typename Right > #IgY'L
class assignment a2sN$k
{ I>fEwMk~
Left l; Vo%@bj~>
Right r; o-49o5:1
public : 8/]5h%
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} {PdyKgM
template < typename T2 > yn`H }@`k
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } N^:)U"9*e
} ; \V}?K0#bt
8NA2C.gOZ
同时,holder的operator=也需要改动: _0ep[r
"Bn!<h}mg
template < typename T > tP7l
;EX4
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ~
/]u72?rP
{ 1dHN<xy
return assignment < holder, T > ( * this , t); He~)i)co
} j<e`8ex?
e")s1`
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 &*A7{76x
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ^vfp;
<4D.P2ct
return l(rhs) = r; z-ra]
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ):kDWc
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: K-Y;[+#g1o
|*K AqTO0
template < typename Tp > g>u{H:
class constant_t {OH"d
{ MZl6J
const Tp t; y)C nH4{
public : 'QeCJ5p]
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} :I[nA?d[&
template < typename T > 0X!A'
const Tp & operator ()( const T & r) const Pq KbG<}Y
{ :Z3Tyj}4
return t; F^fL
} . =yF
} ; e5W 8YNA
4"at~K`
Q
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 A]c'`Nf
下面就可以修改holder的operator=了 ga%gu9
R6v~Sy&n!
template < typename T > {(Jbgsxm
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const DP_ ]\V<sT
{ BE>^;` K
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Kg4\:A7Sa.
} |KY6IGcqV
ObnQ,x(
同时也要修改assignment的operator() RrA9@95+
rvfS[@>v
template < typename T2 > rr~O6Db
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } v'=$K[_
现在代码看起来就很一致了。 8vRQ_
,yf2kU
六. 问题2:链式操作 uW;[FTcqy$
现在让我们来看看如何处理链式操作。 pUF$Nq>og
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 @:s(L]
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 5!-+5TJI
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 inQ1$
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ,!
b9
1zIX
$A
template < typename T > H.o=4[
struct result_1 aNUU' [
{ }IJE%
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; KEPNe(H
} ; qL2!\zt>g
OKi}aQ2R*
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: n Nu~)X
D*0[7:NSO
template < typename T > pgUp1goAU
struct ref xB:]{9r
{ \gCh'3
typedef T & reference; a=_:`S]}
} ; FHbyL\Q
template < typename T > Dbl3ef
struct ref < T &> +,xluwv$ 9
{ {q!GTO
typedef T & reference; M!tR>NMH
} ; E%%iVFPX
mE"(d*fe'
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: )Szn,
(l+0*o,(
template < typename T > |1%eo.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const EQ [K
{ x1`4hB
return l(t) = r(t); w!_6*
} ZyX+V?4
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。 {[pzqzL6
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ]!>tP,<`'
FJD;LpW
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 NG5k9pJ
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: O$ARk+
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 }IRD!
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 @rP#ktz]
最后的布局是: a)S{9q}%
Add J?Bj=b
/ \ dvcLZK
Divide 5 PO nF_FC
/ \ a! 3e Z,
_1 3 zDf96eK
似乎一切都解决了?不。 1\aV4T
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 G){A&F
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 h$]nfHi_Q
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: V'FKgzd
nxJx 8d"
template < typename Right > *X!+wK-+
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;TKsAU
Right & rt) const ]tNB^
{
w~~[0e+E
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); %O9P|04]3
} |JiN;
O+K
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 :z`L)
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。 d@?zCFD
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。 P N(<=v&E
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。 oXQI"?^+
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。 +^q-v-
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? I@kMM12>c
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: J ql$
g
J;k8 a2$_
template < class Action > GPrq(
class picker : public Action )`#SMLMy~
{ Bxf&gDwjgr
public : g*WY kv
picker( const Action & act) : Action(act) {} w&Z.rB?
// all the operator overloaded F6ZL{2$k@
} ; 7g4IAsoD
#[]B:
n6
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。 -+0!Fkt@,
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:
uyoV)
&r!jjT
template < typename Right > _z@_.%P\
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const M1eM^m8U
{
8#|PJc
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); g6H` uO
} ~PX#' Jr
{3BWT
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > l Ma||
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。 7-}/{o*,5
JD~]aoH
template < typename T > struct picker_maker D.YT u$T
{ A<-3u
typedef picker < constant_t < T > > result; (/|f6_9!
} ; B7n1'?
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > -l<[CI
{ U3p Mv|b
typedef picker < T > result; !Xzy:
} ; s-S|#5
oYX#VX
下面总的结构就有了: Cp]q>lM"
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 F D.L{
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 tj: >o#D
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Px`z$~*B:
至此链式操作完美实现。 Gu%}B@ 4^
m</nOf+C
]U.YbWe^
七. 问题3 `IK3e9QpcA
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。 mk
+BeK
9]|G-cyt
template < typename T1, typename T2 > o
vX9
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const jxZd
=%7Q
{ ys9MV%*
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); [4HOWM>\
} T]?QCf
lLZ?&z$
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: xcN
>L
`f%sq*O ~
template < typename T1, typename T2 > rY(^6[ !
struct result_2 WQ1*)h8,9
{ K[i|OZWu
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; R^GLATM
} ; u )KtvC!
3o^oq
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? ' q{|p+
这个差事就留给了holder自己。 M-NY&