一. 什么是Lambda +=_Pl7?
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 P33E\O
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, f/x "yUq
1 W u
SMyg=B\x?7
p1nA7;B-m
class filler 2&m7pcls
{ L7- nPH
public : nM`) `!/
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} -ZB"Yg$l
} ; Exr7vL
7E95"B&w
B(falmXJ
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ||V:',#,W
-eMRxa>
FScQS.qF
?>Aff`dHY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); D6u>[Z[T
vF&b|V+,
Nz;;X\GI
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 c0 |p34
U6Ak"
ThxrhQ
q[+
&; \v_5N6
二. 战前分析 b nGA.b
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ho1F8TG=
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 b5Pn|5AVj
Q6K)EwN
U\ued=H
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); (4LLTf0
/* --------------------------------------------- */ 8; 8}Oq
vector < int *> vp( 10 ); d3GK.8y_z
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ja/[PHq"
/* --------------------------------------------- */ ?=kswf
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); *-_Npu6
/* --------------------------------------------- */ fR%8?6
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); nQ\k{%Q
/* --------------------------------------------- */ %jkPrI
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); )^TQedF
/* --------------------------------------------- */ PS6`o
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); cy 4'q?r
TpgBS4q
&pm{7nH
` qTY
看了之后,我们可以思考一些问题: p/h&_^EXU
1._1, _2是什么? UD{/L"GG
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 OX4D'
2._1 = 1是在做什么? )*ckJK
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 B! V{.p
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Q\L5ZJ%y/
Br5Io=/wg
!Yu-a!
三. 动工 gf?^yP ;V
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ;Oy>-Ij5P
-(1\`g07
P~e$iBH'
dU6LB+A
template < typename T > LltguNM$
class assignment pm\X*t}L
{ }eM<A$J
T value; moR2iyO_
public : de9l;zF
assignment( const T & v) : value(v) {} |`wsKr'
template < typename T2 > 7-I>53@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } j_@3a)[NY
} ; v\,%)Z/
yipD5,TC
z :v, Vu
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 vLv@ Mo
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment -G#k/Rz6
sG2 3[t8
E]U0CwFtr
(JW?azU
class holder -P>=WZu
{ :-La
$I>
public : 4rG 7\
template < typename T > 1m;*fs
assignment < T > operator = ( const T & t) const ,hLSRj{
{ CqK#O'\
return assignment < T > (t); {yMA7W7]
} l-}5@D[
} ; RJwIN,&1.
$3[\:+
"H<#91^|
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: NxO^VUD
<0)ud)~u
static holder _1; '-33iG
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ?i2Wst
wg<|@z5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?7)(qnbe"
而不用手动写一个函数对象。 2Fg t)`{!
Wx$q:$h@q
FJ8@b
K#hY bDm
四. 问题分析 qO{ ZZ*
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 2,V+?'^j
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 y[6&46r7D
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 jUvA<r
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 L~y t AZ,
下面我们可以对这几个问题进行分析。 'h>5&=r
puN=OX}C
五. 问题1:一致性 M5WtGIV
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| QhQ"OVFr#
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 8`2<g0V2
,G|aLBn
struct holder 6F.7Ws<
{ nDB 2>J
// wZ8 MhE
template < typename T > kN|5
J
T & operator ()( const T & r) const ]/Yy-T#@
{ OP`Jc$|6
return (T & )r; ?%/u/*9rj
} 68<Z\WP
} ; ~X<cG=p~u
7[v@*/W@
这样的话assignment也必须相应改动: V!77YFen %
Y%:0|utQC
template < typename Left, typename Right > in#]3QGV
class assignment m+2`"1IE[
{ yISQYvSN
Left l; aT:AxYn8
Right r; L'XdX\5
public : |F@xwfgb
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 3'*%R48P`
template < typename T2 > hr4ye`c j
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } lI_Yb:
} ; |"YA<e
%
/CI%XocB
同时,holder的operator=也需要改动: 1Uemsx%'k
=lC;^&D-0/
template < typename T > hMeqs+
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const w zqd
g
{ 1i /::4=
return assignment < holder, T > ( * this , t); nt0\q'&
} T<+ht8&M8
I+"?,Ej$K
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。
$.Q>M]xH
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 u}}9j&^Xa
Z%5nVsm:G
return l(rhs) = r; g:DTVq
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。 yvd
`nV
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: #CA%]*l*F
y(nsyA
template < typename Tp > 4[#6<Ixf
class constant_t \}Acq;
{ /$9
:L
const Tp t; F|?+>c1}
public : 9#&W!f*qO|
constant_t( const Tp & t) : t(t) {}
t'Eb#Nup3
template < typename T > S6T!qH{6
const Tp & operator ()( const T & r) const 7AO3-;
l]
{ tpa^k
return t; hB7pR"P
} ^0~c7`k`V
} ; !ASoXQRz
}B=qH7u.K
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 YWRE&MQ_
下面就可以修改holder的operator=了 w=D%D8 r2
& &" 'dL
template < typename T > Lo9G4Cu
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const z^rhgs?4
{ UOWIiu
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); :'y{dbKp"
} <r<Dmn|\a
j!x<QNNX
同时也要修改assignment的operator() J-tq8
J0Hm)*
template < typename T2 > J1tzHa6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } R+{^@M&
现在代码看起来就很一致了。 cophAP
HkdN=q
六. 问题2:链式操作 au~]
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -VWCD,c
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。 =_8
UZk.
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。 _,_8X7
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。 )WVItqQKV
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct
VFl 1 f
F?b'L
JS
template < typename T > >+:r '
struct result_1 .]j#y9>&w%
{ 9fP) Fwih
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; =R&)hlm
} ; $N;"}Gz
>*`>0Q4y
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: ?dsf@\
ADYx.8M|9i
template < typename T > 8cK\myn.
struct ref =w^TcV
{ [jl2\3*
typedef T & reference; X`yNR; >
} ; .!JMPf"QEI
template < typename T > 6z#lN>Y-`
struct ref < T &> IXZ(]&we
{ Z|ZBKcmg
typedef T & reference; XogvtK*
} ; .3{[_iTM
2{t)DUs
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ;TL(w7vK
0)d?Y
template < typename T > F!7f_m0=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const _0,"vFdj
{ e'1 ^+*bU
return l(t) = r(t); (R_CUH
} ?R;nL{
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。 zmf"I[)
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 /Hv*K&}M
,b<9?PM
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 h/I@_?k+
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 3`58ah
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;>9OgO
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^^G-kg
最后的布局是: ?"{QK:`
Add PZys u
/ \ gyi)T?uS)
Divide 5 @Q;i.u{V
/ \ P*pbwV#|
_1 3 r\(v+cd
似乎一切都解决了?不。 aS,a_b]
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。 CI,lkO|C
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。 K`hz
t
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_N\iCYp
:T_'n,
template < typename Right > Bul.RCP'
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const aXe{U}eow
Right & rt) const
jip\4{'N
{ f
hQy36i@
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); {Q)dU-\
} ^:qD .h>&
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Q0pzW:=s]
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。 (cvh3',
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。 ^J8uhV;w
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。 |~SE"
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。 #2 \8?UPd
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? R
N@^j
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: Mx8Gu^FW.d
On=u#DxQ
template < class Action > u7HvdLql
class picker : public Action %y iD~&
{ |/VL35b
public : 9b1?W?"
picker( const Action & act) : Action(act) {} Bi e?M
// all the operator overloaded SD?BM-&~
} ; k({2yc#RD&
q( IZJGb
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。 m}98bw
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:
rFo\+//
}sv!=^}BY3
template < typename Right > ejVdxVr \7
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 5MxH)~VQoM
{ CWs: l3_yn
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); {O)YwT$`
} MY!q%
SSE3tcRRl
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > lW
p~t
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 EY kj@
.,
wf?u(3/%
template < typename T > struct picker_maker .(|+oHg<
{ BDy5J2<<7l
typedef picker < constant_t < T > > result; tQrS3Hz'nA
} ; .`,F
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > /|GT\X4o
{ KbAR_T1n
typedef picker < T > result; MM#i t=u
} ; L\YKdUL
G$C}?"l
下面总的结构就有了: Sk\n;mL:
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。 4qt+uNe!
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。 IZ*}idlkn/
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 'w(y
J
至此链式操作完美实现。 ;K_}A4K
eIg+PuQD]
f])M04<
七. 问题3 3?2<WEYr
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。 thuRNYv<
zG#wu
template < typename T1, typename T2 > Q&xjF@I
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const zsDocR
{ %zzYleJ!]
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); o@9+mM"B)
} GW3>&j_!d
w$j{Hp6m
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: .n`( X#,*l
~.Cv
DJy
template < typename T1, typename T2 > @RGDhwS47
struct result_2 o)&"Rf
{ GRT]aw
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 3pSj kS|?>
} ; */w7?QOv
jH>8bXQqZ
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ;3;2h+U*
这个差事就留给了holder自己。 CvK3H\.&;k
}3Y
<$YL"R
WULAty
template < int Order > =A@>I0(7
class holder;
R_1qn
template <> ~U$":~H[
class holder < 1 > +@ MPQv
{ s\gp5MT
public : nO{ x^b <
template < typename T > 2no$+4+z
struct result_1 o5swH6Y.)J
{ iA'As%S1
typedef T & result; bb;(gK;F
} ; bO3GVc+S
template < typename T1, typename T2 > QXVC\@
struct result_2 nBz`q+V
{ R>2I RvY(
typedef T1 & result; 9 |.Ao
} ; BLn_u,3
template < typename T > ?59'dGnz_
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Zw{MgoJ0Z
{ "uKFOV?j&
return (T & )r; 53Yxz3v
} I [0!SIqY
template < typename T1, typename T2 > M:|8]y@
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const _?`&JF