一. 什么是Lambda [fO]oTh
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 (%I`EAR
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, s[xdID^3.
Bb-x1{t
7Kh+m@q.
tM@TT@.t~
class filler pdtK3Pf
{ N4H nW0
public : q=96Ci _a
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} C}+(L3Z
} ; w7dG=a&
ia?8Z"&lK
B'~.>,fg
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: A;2?!i#f
F}sfk}rp
[0J0<JnK
DVpqm6$Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); \UNw43EL
n'M}6XUw
[=LQ,e$r7
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 mg#+%v
JNMZn/
2OK%eVba
t3bN
PK^
二. 战前分析 b,SY(Ce~g
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。 C/]0jAAE7
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 W}T+8+RU
wl9E
8.9S91]=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); "J[Cr m
/* --------------------------------------------- */ ,Zs-<e"
vector < int *> vp( 10 ); :[AW
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 0eUsvzz15
/* --------------------------------------------- */ B}*xrPj
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); }1(F~6RH
/* --------------------------------------------- */ L\n_q6n
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); W6wgX0H
/* --------------------------------------------- */ >L=l{F6
p
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Y|1kE;
/* --------------------------------------------- */
MNJ$/l)h
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); d_]MqH>R\
>nTGvLOq
\idg[&}l}
n{UB^-}5
看了之后,我们可以思考一些问题: 8+GlM+>4
1._1, _2是什么? F!SmCE(0x
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 {)k}dr
2._1 = 1是在做什么? [m('Y0fwO^
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 BQw#PXp3
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 9nd'"$
1[B?nk
UHR)]5Lt
三. 动工 }hl#
e[$
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: !@*Ac$J>$
fv`%w
lDAw0 C3
v}[7)oj|
template < typename T > se(_`a/4Q
class assignment =\_MJ?A$
{ )8e_<^M
T value; 8 Z#)Xb4
public : NFc<%#H
assignment( const T & v) : value(v) {}
neOR/]
template < typename T2 > 9Y-s],2V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 0~^opNR
} ; [nflQW6
oYqlN6n,=6
b]*9![_
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 <EpP;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment E#_}y}7JY
zFv>'1$
%iF<
px?Vc
qY0GeE>N
class holder %]
{ 8tPq5i
public : BIX%Bu0'f
template < typename T > )e{~x
u
assignment < T > operator = ( const T & t) const Yo:>m*31
{ uZW1
:cx
return assignment < T > (t); 59ro-nA9v
} 7?cZ9^z`w
} ; xt40hZ$
Oja)J-QXb
mDj:w#q
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: dr:)+R
13
static holder _1; cV)C:!W2
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 # {!Qf\1M
SRj|XCd
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [\.
ho9
而不用手动写一个函数对象。 )S>~ h;
B4&x?-0ZC
&.Yh_
eGnc6)x@C
四. 问题分析 +mV4Ty
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。 ks'25tv}F
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。 "K~+T\^|k
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 iVnrv`k,
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ZYkeW
下面我们可以对这几个问题进行分析。 f@>27&'WV
8[}MXMRdb
五. 问题1:一致性 ;xwa,1]
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?| <W\~A$
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 5/Swn9vwl
zD2Bhta y
struct holder ~vaV=})
{ Fc42TH
p
// [ nYwJ
template < typename T > IXX^C}\,
T & operator ()( const T & r) const H}JH339
{ Gl}=Q7
return (T & )r; j s7J#b7
} CWt,cwFW
} ; y]M/oH
E
jBEZL|_
这样的话assignment也必须相应改动: i>0I '~V
vNi7=3
template < typename Left, typename Right > ^vo^W:
class assignment USe"1(|E
{ K3'`!K a*
Left l; PX(Gx%s|
Right r; {"'W!WTb
public : RH>b,
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Wu:vO2aw8
template < typename T2 > #).om*Xh
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } /3rt]h"
} ; 3}n=o d=
WynHcxC
同时,holder的operator=也需要改动: ;c<:"ad(
JTl
37j
template < typename T > ,Ea.ts>
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const
0qZ{:}`3
{ t'0r4&\
return assignment < holder, T > ( * this , t); U}7$:hO"dX
} z`5+BL,|ND
I+8m1*
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。 -Qqb/y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 op&,&
yIqsZJj
return l(rhs) = r; NfS0yQPx
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。 tSE6m -
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 5K{(V^88F
(/Z~0hA[Q
template < typename Tp > @T]gwJ
class constant_t T(7
8{A>
{ d*8 c,x
const Tp t; kn`KU.J.
public : H>-,1/IY
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} x\;`x$3t
template < typename T > d<(1^Rto
const Tp & operator ()( const T & r) const VLu_SXlo*
{ 9v<BO$
,a
return t; BeaX 0#\
} Hfm4
} ; +z;xl-*[
+6uun
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ks
sXi6^
下面就可以修改holder的operator=了 U-X
n4(w?,w}
template < typename T > ANp4yy+
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const W[j =!o
{ sVaWg?=qs'
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); <`*6;j.&
} kH1l -mxz
!bT0kP$3}
同时也要修改assignment的operator() v?n`kw
cV)fe`Gg
template < typename T2 > ,t61IU3"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ]Fl+^aLS
现在代码看起来就很一致了。 1:q55!b
j\!zz
六. 问题2:链式操作 mcS/-DaN?
现在让我们来看看如何处理链式操作。 U|-4*l9Ed
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。 $vlgiJ&f
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 k$k(g
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。 qV9`
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct `S{< $:D
burEo.=
template < typename T > @Mt6O_V
struct result_1 L'"20=sf
{ REnRpp$
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ^X"G~#v=q
} ; ch
\*/
;&;coH8`
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: S)@R4{=e"V
=n9adq
template < typename T > 5j{o0&=_$
struct ref TBrAYEk
{ 06 K8|K
typedef T & reference; 4#;rv$
{
} ; ' OdZ[AN
template < typename T > mL18FR N
struct ref < T &> .eK1xwhJ
{ (RWZ[-;)
typedef T & reference; V*U"OJ%
} ; DtXXfp@;
,'={/)c<
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ~;wSe[
1K09iB
template < typename T > ElqHZ$a?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 3f
eI
{ OtY.s\m y
return l(t) = r(t); >`'#4!}G5j
} ZV_mP'1*
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。 {BY`Wu:w
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 2s?j5 Sd
@bfaAh~
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 tvf"w`H
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: "&Q-'L!M'/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 N!9DZEcm
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Ny\iRU)fN
最后的布局是: $C,f>^1
Add H Y.,f_m
/ \
2Z7smDJ
Divide 5 htMsS4^Kvd
/ \ y !47!Dn
_1 3 ;T-i+_
似乎一切都解决了?不。 R:0Fv9bwS
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。 "EWU:9\0
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。 vb{&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: _
nS';48
}Jh!B|
template < typename Right > <*2.B~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ehOF@IA_
Right & rt) const oel3H5Nz
{ _o' jy^
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ]bhzB
} 5(2g*I
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 *)L%pH>`
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@>P%k$$s>
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。 j%]i#iqF
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。 s:jr/ j!
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。 fnL!@WF
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? |X~T</{8i
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: \P&'4y~PL
x%vt$dy*8
template < class Action > 3ZC to[Y
class picker : public Action P,xayy
{ h"#^0$f
public : a!Z,~ V8
picker( const Action & act) : Action(act) {} |1-0x%@[ ;
// all the operator overloaded kS/Zb3
} ; lOI(+74
xfos>|0N
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。
5t:4%
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: xg. d)n
1a/@eqF''
template < typename Right > |~8iNcIS
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ~Jp\'P7*
{ 9i,QCA
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); vRn^n
} ,5t.0XqS
i\},
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > uAK-%Uu?
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。 k{y@&QNj
.;/@k%>
template < typename T > struct picker_maker 5W 5\*L
{ n#,AZ&
typedef picker < constant_t < T > > result; Zhz.8W
} ; 7! <cU
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > y9Yh%M(
{ e,`+6qP{
typedef picker < T > result; r}D`15IHJ
} ; wH{lp/
c 6E@+xU
下面总的结构就有了: /bfsC&
3
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。 KB*[b
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。 #E{OOcM
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 e|"`W`"-
至此链式操作完美实现。 Y]B2-wt-
l: 1Zq_?v;
WASs'Gx
七. 问题3 M6pGf_qt
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。 S[X bb=n
S-.!BQ@RMZ
template < typename T1, typename T2 > SZK~<@q5
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const .CQ
IN] iD
{ 0qw,R4YK
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 19bP0y
} ,t*#o&+
i,<TaW*I
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: oxH S7b
> 9 i @W@M
template < typename T1, typename T2 > m)=
-sD
struct result_2 8yB
{ .QRQvtd.
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ran
Q_\
} ; l)a]V]oQ
$MB56]W8
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? t9Pu:B6
这个差事就留给了holder自己。 gqyQ Zew
%I&Hx<Hj
MFiX8zwhx+
template < int Order > TP'EdzAT
class holder; %89f<F\V
template <> x_2
[+Ol
class holder < 1 > 7evE;KL
{ g[q1P:I@W
public : D!TS/J1S;u
template < typename T > <M7@JgC &
struct result_1 EAj2uV
{ P `T&z