一. 什么是Lambda )J<Li!3
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 @]6)j&
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, "Vho`x3
y^Oj4Y:
G'MYTq
FlOKTY
class filler 5aL0N
{ zv <,
public : Of7j~kdh83
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 7n,nODbJ
} ; $n(?oyf
g}{Rk>k
bnUpH3
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: GuQ3$B3j
7XT2d=)"
8UwL%"?YB
)_NQ*m
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); FfI$3:9
D*Siy;
\! Os!s
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 3lMmSKN
g v&xC 6>
3*CF !Y%
<\8dh(>
二. 战前分析 =:P9 $
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。 @Rig@
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
93kSBF#
Cj"k
Fq4
#AyM!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &?9p\oY[
/* --------------------------------------------- */ SY`NZJK
vector < int *> vp( 10 ); f5
wn`a~h
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 92]>"
/* --------------------------------------------- */ \|@]XNSN
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); zc'!a"
/* --------------------------------------------- */ )+RGXVp
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); cm%QV?
/* --------------------------------------------- */ Q
{3"&
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Z7JI4"
/* --------------------------------------------- */ +NxEx/{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); llhJ,wD
(nbqL+
_I<eJ\
[ k^6#TQcn
看了之后,我们可以思考一些问题: $bF.6
1._1, _2是什么? Y{1IRP?S
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。 JiDX|Q<c
2._1 = 1是在做什么? pJ6bX4QnDX
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。 WUQ2[)<
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。 kR%CSLOVy
AQ32rJT8c`
1jh^-d5
三. 动工 I/|)?
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ~kS~v
r5(OH3
p"Oi83w;9
"@
Zy+zLU
template < typename T > UN`-;!
class assignment >9esZA^';
{ 1zGEf&rv:
T value; (toGU
public : 8{6KWqG\
assignment( const T & v) : value(v) {} *P$5k1
template < typename T2 > i'L7t!f}o
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; }
M)Yu^
} ; 5L42'gJ
W;,UhE
wDem
}uO
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 2xni! *T+
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment b}9K"GT
Xleoh2&M
@_FL,AC&m
ykRKZYfsw(
class holder []1VD#
{ RA+Y ./*h
public : CmJI"
template < typename T > G-Sw`HHo
assignment < T > operator = ( const T & t) const e3F)FTG&
{ A>%fE 6FY
return assignment < T > (t); _Eq:Qbw#
} {3$ge
} ; ?)",}XL6
R{8nR00|1
3`n5[RV
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: e&8pTD3
}Da8S|)H
static holder _1; JXftQOn
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ah"2^x
EqUiC*u8{I
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); :QUZ 7^u
而不用手动写一个函数对象。 VaZS_qGe:
gpHI)1i'H
M_T$\z;,
7w@.)@5
四. 问题分析 [uc;M6o}?
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 j
&,vju
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 5;>M&qmN
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Z&s+*&TM
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 [9z<*@$-
下面我们可以对这几个问题进行分析。
_"%d9B
Fu )V2[TY
五. 问题1:一致性 uTbI\iq
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?| qOZc}J0
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 AcrbR&cvG
Mq[;:
struct holder 6 [a CjW
{ ?j?{}Z
// %a8'6^k
template < typename T > , j'=sDl
T & operator ()( const T & r) const b\UQ6V
{ fR5
NiH
return (T & )r; s]5wzbF O
} @K4} cP
} ; @s/;y VVq
x\3 ` W
这样的话assignment也必须相应改动: viD+~j18
, *e^,|#
template < typename Left, typename Right > 8BE OE<
class assignment 0w8Id
. ,
{ <rRmbFH#
Left l; 15iCJ p
Right r; 5>KAVtYvc
public : -gIuL
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Toy~\
template < typename T2 > ItYG9a
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; }
/A_</GYs
} ; 7#MBT-ih
@`wBe#+\
同时,holder的operator=也需要改动: q jDWA'
dI>)4( )
template < typename T >
SN?jxQ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Tl8S|Rg
{ NvJu)gI%
return assignment < holder, T > ( * this , t); z|+L>O-8
} DcSL f4A
]'~'V2Ey
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。 ;)0vxcMB
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 kQ.atr`? e
EVgn^,
return l(rhs) = r; NZ{kjAd3c
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。 L@CN0ezQs
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: mgG0uV
=bN[TD
template < typename Tp > O4\GL
class constant_t |rW}s+Kcr
{ "SLN8x49(
const Tp t; M`BD]{tN}
public : 6x*ImhQ.J
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} HQt=.#GW
template < typename T > Fdm7k){A
const Tp & operator ()( const T & r) const BxG0vJN|
{ aNn < NW
return t; L.U [eH
} gWy2$)
} ; ~K:#a$!%,
b[GZ sXD-
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 &oTSff>p}
下面就可以修改holder的operator=了 pUwx`"DrR
MA(\r
template < typename T > F=iz\O!6
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 4)JrOe&k
{ (LL4V
3)
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); zclt2?
} j[wGR_EE
0u'2f`p*
同时也要修改assignment的operator() TQE 3/I L
K+ ufcct
template < typename T2 > iP|h] ;a+@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } G{+sC2
现在代码看起来就很一致了。 nt "VH5
%
eW>IN]5
六. 问题2:链式操作 N(t1?R/e,
现在让我们来看看如何处理链式操作。 0x[vB5R
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。 ;o%r{:lng
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。 0RtqqNFD
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。 4K0N$9pd:
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct >W.Pg`'D
B964#4&
9
template < typename T > ecA0z
c~
struct result_1 B
wtD!de$
{ .[= 0(NO
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; -M%n<,XN0
} ; Pk~P
qZKU=HM
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: t+m$lqm
],qG!,V
template < typename T > ^YenS6`F
struct ref FK@rZP
{ j\@s pbE@
typedef T & reference; iknB c-TLD
} ; 9Hlu%R
template < typename T > hd/5*C{s
struct ref < T &> qIA!m
.GC
{ ,8+SQo#3
typedef T & reference; p8Lb*7W
} ; )"t=sFxaB
_)2NFq
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: wC@4`h\U
:ozHuHJ#
template < typename T >
A-ir
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const > ^n'
{ 2NIK0%6
return l(t) = r(t); ;oob
TW{
} saU|.\l
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 H'?Bx>X
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Pa0tf:
f[ %\LHq
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 P0'
;65
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: KkJcHU
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 v SHb\V#
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &Vnet7LfU
最后的布局是: @iC!Q>D
Add J>!p^|S{
/ \ UupQ*,dJ
Divide 5 )c]GgPH
/ \ !*C^gIQGU
_1 3 8
l}tYl`|
似乎一切都解决了?不。 |
2p\M?@
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 sl |S9Ix
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 o)"}DeV$&
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: 0)k%nIhj
4?jhZLBU
template < typename Right > OaU} 9&
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const rZ:
Right & rt) const ?kE2S6j5
{ *=^_K`y
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 'qQDM_+
} !Aunwq^
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ?D57HCd`n
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。 \m5:~,p=
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。 yq6!8OkF
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。 F[RhuNa&'W
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。 (:Bo'q
S
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? }! zjj\g^
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: W!XFaA$
7D9R^\K
template < class Action >
F_YZV)q!W
class picker : public Action z7HC6{g%X
{ 0e:K iUr
public : C:EF(/>+-
picker( const Action & act) : Action(act) {} ~NU~jmT2
// all the operator overloaded q_cqjly<
} ; rd%3eR?V
d 'x;]#S
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。 8V=I[UF.1?
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: c7wza/r>
`1M_rG1/+
template < typename Right > uZ<Bfrc
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ~g1@-)zYxK
{ Qbt
fKn95
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Axj<e!{D
} m_\CK5T_
rUx%2O|qu
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > =k3QymA
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。 bcz<t)
FCqs'
template < typename T > struct picker_maker r8^1JJ~\
{ )TRDM[u
typedef picker < constant_t < T > > result; E%H,Hk^
} ; g6
7* Bs
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > q.Z0Q
{ NmOQ7T
typedef picker < T > result; w$61+KH K
} ; 6kIq6rWF9
t M A
下面总的结构就有了: ,,fLK1
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ELY$ ]^T
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。 JK,#dA#
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 d=lZhqY
至此链式操作完美实现。 ->8n.!F}
nqiy)ZN#R
Y*w<~m
七. 问题3 ^9cqT2:t
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。 {Z-5
tC|5;'m.2
template < typename T1, typename T2 > M&Ycw XV:Z
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const q' _
{ |mMW"(~
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); tkNuM0
} wx<5*8zP
W=F?+KgL
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: %,6@Uu#%6
%pTbJaM\U
template < typename T1, typename T2 > 4I {|M,+
struct result_2 Eq'{uV:
{ gK#aC[
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; .z+QyNc:
} ; )I!l:!Ij*D
-#)xeW.d
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? p9l&K/
这个差事就留给了holder自己。 \% ^<Ll
K")-P9I6-f
Jc{zi^)(EN
template < int Order > 8)R)h/E>
class holder; z %mM#X
template <> xA&