一. 什么是Lambda 8G@FX $$Q
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 )XNcy"
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, HnpGPGz@F
{UhZ\qe
Q/+a{m0f
w"Z>F]YZ
class filler Uligr_c?
{ lmd0Q(I
public :
d,H%
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 1n5&PNu
} ; 4@VX%5uy
kz??""G7/
n%O`K{86
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: ^X?[zc GE
;Joo!CXHO
.K0BK)axO
n|F`6.G
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); .3Ap+V8?
kBT cND|
SnXLjJe
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 :_^YEm+A
9V;m;sz
-Wig k['v
>B9rr0d0
二. 战前分析 XrvrN^'
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。 ?K]k(ZV_+Y
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 xNONf4I:6J
4C2 Dwj
WH/a#F
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?^7~|?v
/* --------------------------------------------- */ D~{)\;w^!
vector < int *> vp( 10 ); %:/;R_
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); !l&lb]Vcz
/* --------------------------------------------- */ 0r@rXwz
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); G
cbal:q
/* --------------------------------------------- */ Zaj<*?\
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); d*G$qUiX
/* --------------------------------------------- */ *[jaI-~S
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); i0R=P[
/* --------------------------------------------- */ |[V(u
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); =];FojC6I
(Hsfrc
.!`j3W]
,rN7X<s54
看了之后,我们可以思考一些问题: >s>5k
O
1._1, _2是什么? NT nn!k
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ZqhINM*Rm
2._1 = 1是在做什么? k82'gJ;MC=
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 n2QD*3i
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 >SzTZ3!E
'.bMkty#
4bKZ@r%
三. 动工 *zx;81X=
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: v14[G@V~\
D`gY6wX
:4A^~+J
qR1ez-#K
template < typename T > q}8R>`Z{
class assignment ~!uK;hI
{ `j2z=5
T value; 6m{3GKaW~
public : 63~i6
assignment( const T & v) : value(v) {} ,5/gNg
template < typename T2 > \gzNMI*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } g_q{3PW.
} ; HS2)vd@)
EEaFi8
|GsLcUv6
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Qejzp/2
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Rw7Q[I5z%
.d*v fE$
bySw#h_
aJfW75C
class holder sI.Ezuw
{ Q'rG' |
public : ugL$W@
template < typename T > rN*4Y
assignment < T > operator = ( const T & t) const "44X'G8N
{ OU[Sm7B
return assignment < T > (t); \t(/I=E8/
}
xE}q(.]
} ; rVO+
vhih
ClEtw
B.{yf4a#L
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: :jhJpm1Xq
4RK^efnp
static holder _1; 1b't"i M
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ;TR.UUT
a7CJ~8-1K
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Coyop#q#"{
而不用手动写一个函数对象。 K4
>d
6dNo!$C^
;+5eE`]a/L
08twcY;&k
四. 问题分析 )D@
NX/}
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。 Y/4B*>kl
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。 uX p0D$a
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 LX3 5Lt
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 S2Wxf>bt2
下面我们可以对这几个问题进行分析。 7N:,F9V<
#-{4 Jx
五. 问题1:一致性 h qxe
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| m=#2u4H4
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 [#.QDe
ul:jn]S*
struct holder m*(8I=]q
{ ed617J
// ]v+\v re
template < typename T > 9iv!+(ni
T & operator ()( const T & r) const :${Lm&J
{ 8L<Ol
return (T & )r; X2EC+<
} &<~`?-c
} ; vb$k/8JK
u6D>^qF}@'
这样的话assignment也必须相应改动: VbZZ=q=Kd
:*\JJ w
template < typename Left, typename Right > |i|>-|`!
class assignment P>)qN,a
{ ? 1_*ct=g9
Left l; khyVuWN
Right r; y0z}[hZ
public :
2"13!s
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 'Yj/M
template < typename T2 > UGAP$_j
]P
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } d#A.A<p*
} ; VkUMMq{
6 s*#y[$
同时,holder的operator=也需要改动: D VC};
uu'~[SZlL
template < typename T > n}YRE`>D
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const r% qgLP{v
{ 7q(RQQp
return assignment < holder, T > ( * this , t); >y2gfD
} O>}aK.H
QV" |
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。 &'i>5Y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 k3u3X~u
/9i2@#J}W1
return l(rhs) = r; 38rC;
6
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。 ?*Jv&f#
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: N 0`)WLW
2'N%KKmJL
template < typename Tp > Y68oBUd_E
class constant_t g"F vD_
{ IY+P Yad
const Tp t; Q
xKC5`1
public : hg |DpP
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 2 y,f
template < typename T > yv&&x.!.Z
const Tp & operator ()( const T & r) const Fd0R?d
{ !hEtUF
return t; >NK*$r8
} kJ{X5&,_
} ; r IY_1
%[5hTf
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 <kp?*xV]]
下面就可以修改holder的operator=了 V|DAw[!6N
iz&)FuOr
template < typename T > EW|bs#l
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const QYDSE
{ fyh9U_M);w
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); |&3[YZY
} gP?pfFhG
a!]'S4JS
同时也要修改assignment的operator() ([^1gG+>J
+H8]5~',L%
template < typename T2 > +AO(e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } A-qdTJP
现在代码看起来就很一致了。 pm@Mlwg`1
3N[t2Y1r
六. 问题2:链式操作 /n&w|b%
现在让我们来看看如何处理链式操作。 T5Yu+>3
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。 KHI-m9(
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。 COZ<^*=A#p
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。 n~@;[=o?5
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct I^emH+!MW
I&
DEF*
template < typename T > [}|x@
v9
struct result_1 !Qy%sY
{ 2h%/exeS;
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; w9G (^jS6
} ; pxDkf|*
Et}S*!IS
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: Se{}OG)
`O5wM\Z
template < typename T > [RoOc)u
struct ref xk7MMRb
{ >^=upf/
typedef T & reference; 'pa[z5{k+
} ; \oA>%+]5
template < typename T > 3rBSwgRl
struct ref < T &> gY|f[M|
{ &@<Z7))
typedef T & reference; GHWi,' mr
} ; ~=67#&(R
bnIl@0Y
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: &e0BL z
m&a.i
B
template < typename T > x-1RmL_%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const OX-t#R`
{ ;SnpD)x@)
return l(t) = r(t); 4YX/=
} /H3z~PBa
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。 U[,."w]T
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 iHBetkAu
Lyo!}T
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 Vsw]v
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: C9OEB6
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 e ?sMOBPlv
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Y7vUdCj
最后的布局是: MVP|l_2!
Add _Wg?H:\
/ \ v#c'p^T
Divide 5 Td(eNe_4T
/ \ X$BN&DD
_1 3 =p{55dR
似乎一切都解决了?不。 Pu>jECcz
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。 >>bsr#aJ
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。 ![1+=F!
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: 'o}v{f
P|j|0o,8p
template < typename Right > Cw$0XyO
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const vxE#6
Right & rt) const `xv2,Z9<
{ UI2TW)^2
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /oL&
<e
} pW5ch"HE
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Z uFk}R"x
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 ?TWve)U
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 *^aEUp6&
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 e%[0
NVo
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 !$n@-
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? /~~A2.=.
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: fVJlA
4|U$ON?x
template < class Action > O"^3,-
class picker : public Action R.x^
{ Y=83r]%
public :
3-~*
picker( const Action & act) : Action(act) {} _nwsIjsW
// all the operator overloaded $/p0DY
} ; kx{LY`pY
9[2qgw\D
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 (;!92ct[?
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: {'#1do}{
I-Q@v`
template < typename Right > wE3L,yx=
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const WwUhwY1o!L
{ PaD6||1F
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Ah2*7@U
} tq$L* ++O
%plu]^Vy
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > *jR4OY|DXH
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。 [g<Y,0,J
I|n?32F
template < typename T > struct picker_maker =y^`yv 3
{ baQORU=X
typedef picker < constant_t < T > > result; /Fk]>|*
} ; O:E0htdWr
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ZWmS6?L.
{ d4~;!#<
typedef picker < T > result; - f?8O6e
} ; &L[i"1a
q\pI&B
下面总的结构就有了: <uYrYqN
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。 4%B0H>
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。 #Z. QMWq
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 o;TS69|D
至此链式操作完美实现。 VQ"Z3L3-4
J8'1 ~$6
?kIyo
七. 问题3 "hmLe(jo}
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 Wu~cy}\
K<rv|bJ
template < typename T1, typename T2 > ;A6%YY
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ,xw1B-dx
{ Tbp;xv_qo
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2);
f@@7?5fW
} l"zA~W/
;~-ZN?8
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: G{.[o6>
Ct][B{
template < typename T1, typename T2 > jj&mRF0gCb
struct result_2 2U|"]tpM&
{ 3qW](
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; B[.$<$}G
} ; skm~~JM^
v<@3&bot
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? F;bkV}^
这个差事就留给了holder自己。 GaCRo7
7{Lp/z%r
o:'@|(&