一. 什么是Lambda Z)&HqqT3p
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 }wb;ulN)
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, ropiyT9;
DtS{iH=s]
A3$b_i @P
#3$|PM7,_
class filler 0`thND)?O
{ ;Dgp
!*v=
public : #P@r[VZ{6
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} {p\KB!Y-
} ; 24Tw1'mW
n%0vQ;Z1
_t[%@G>P
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: ,5?MRqCM
W!^=)Qs
w#$k$T)
!58JK f
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ~S6N'$^
&ivIv[LV
eC39C2q\
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 N{yZk"fq:6
[P,nW/H
{ULnQ6@
]>,|v,i
=
二. 战前分析 ]z%9Q8q'
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 1mV0AE538
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 6;*(6$;
TExlGAHo+O
2fk
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !R@4tSu
/* --------------------------------------------- */ f*~fslY,o
vector < int *> vp( 10 ); Ye6O!,R
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); *~L]n4-
/* --------------------------------------------- */ t*#&y:RG
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); I$LO0avvH2
/* --------------------------------------------- */ jY.%~Y1y
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 5b'S~Qj#r$
/* --------------------------------------------- */ jYF3u0
)
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); iT"Itz-^#
/* --------------------------------------------- */ AVWrD[ wD2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); IA4(^-9
4#9-Z6kOk
jg8P4s
Z#O3s:`
看了之后,我们可以思考一些问题: _JDr?Kg
1._1, _2是什么? PsnU5f)`
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。 UXJl;Mb
2._1 = 1是在做什么? ~-%A@Lt
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。 QAwj]_
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。 k
N+(
}b(e
J5T#}!f
三. 动工 BxU1Q&
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: x TZ5q*Hqx
uSJP"Lw
pAuwSn#i
mK-:laIL"
template < typename T > 1%`:8
class assignment '7R'fhiO/3
{ <k6xScy$}
T value; ]IV;>94[
public : O :^[4$~
assignment( const T & v) : value(v) {} ~B@o?8D]
template < typename T2 > R2`g?5v
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } (^9M9+L[i
} ; A~V\r<N
j
'[^2uQc
Q^rW^d
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 `.g8JC\_m
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment K;y\&'E
?g4|EV-56
)M 0O=Cl1
Z(M)2
class holder !X 8R
{ UGt7iT<`8
public : !?/bK[
P,
template < typename T > :nUsC+oBS
assignment < T > operator = ( const T & t) const bicL%I2h
{ [#Vr)\n
return assignment < T > (t); pQ{t< >
} w"i Zn
} ; I+t38un%
T}[vfIJD
G{~p.?f:
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: ooSd6;'
Dt.Wb&V_w
static holder _1; :,,y63-f4
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 %
cdP*
VH6|(=8
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); n0pe7/Ai
而不用手动写一个函数对象。 VBJ]d|
,
~X;M"U
`h!&->
TWEqv<c
四. 问题分析 ;@
X
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*X.0&Toc
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。 J9.p8A^^2
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 eb@Lh!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 z{L;)U B^
下面我们可以对这几个问题进行分析。 !\O,dq
_ n4ma
五. 问题1:一致性 4>C=:w
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?| E}/|Lja
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 b'5pQ2Mq
'LLx$y.Ei[
struct holder #%"TU,[+
{ UO<claV
// *+4iBpyiB
template < typename T > r.^X>?
T & operator ()( const T & r) const "]Dzc[Vp
{ F$p*G][
return (T & )r; G5J ZB7C
} %esZ}U
} ; (1j$*?iGA
5)NBM7h
这样的话assignment也必须相应改动: "mDrJTWa
t~K!["g
template < typename Left, typename Right > D D;+& fe
class assignment F5[ITK]A4
{ ^>{;9lo<
Left l; VDjIs UUX
Right r; kQl cT"R
public : =w$"wzc
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} %E7.$Gj%
template < typename T2 > @~G`~8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } HCkqh4
} ; :vyf-K74M
S_VncTIO
同时,holder的operator=也需要改动: Z*)Y:tk)b
B2qq C-hw?
template < typename T > .r%|RWs6W
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const S&]<;N_B
{ 8A u<\~p
return assignment < holder, T > ( * this , t); ND1%s &
} g4SYG)'R+
Yf)|ws?!
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ^-*Tn
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 4qXRDsbCf
E(kb!Rz
return l(rhs) = r; p<fgUVR
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 7"NJraQ6
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 1\{U<Oli
R6Z}/ m
template < typename Tp > ~2DV{dyj
class constant_t ~w9=Fd6
{ MGKeD+=5
const Tp t; 2$W,R/CLh
public : aa%&&
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} n9fA!Wic
template < typename T > JP,(4h*
const Tp & operator ()( const T & r) const (Cd{#j<
{ z "$d5XR
return t; !Fg4Au
} f3>6:(
} ; v:Z4z6M-
g74z]Uj.B
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 }%FuL5Tx
下面就可以修改holder的operator=了 4|41^B5Y
1
u_24
template < typename T >
~
9~\f
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const xP6?e s`
{ ?r E]s!K
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); {$1$]p~3o
} B"Kce"!
P^<0d'(
同时也要修改assignment的operator() {AL9o2
akCo+ @
template < typename T2 > hd
;S>K/C
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 4zfRD`;
现在代码看起来就很一致了。 aGk%I
U;Ll.BFP
六. 问题2:链式操作 8u5
'g1M
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ,\9m At1O
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。 e=jT]i *cU
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。 ^N2M/B|0
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。 BS,5W]ervE
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ,ibPSN5Ca
DEQE7.]3 q
template < typename T > CL'Xip')T
struct result_1 xgT~b9
{ ~z
_](HKoS
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; @?7{%j*
} ; m":SE? {{&
-S%q!%}u
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: oTD-+MZn
u!3]RGJ
template < typename T > K7xWE,y
struct ref $FusDdCv3
{ 'Ywpdzz[
typedef T & reference; {29S`-|P
} ; "(\)
&G
template < typename T > jy(+
0F
struct ref < T &> mh#FYSp
{ zIm_7\e
typedef T & reference;
c(V=.+J
} ; y-\A@jJC5
H1%[\X?=
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: g;!@DVF$
Ph+X{|
template < typename T > z(`
}:t
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const lHKf#|
{ -?YT Q@ W
return l(t) = r(t); 5%Oyvt]}2
} KW|\)83$
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。 2Jo~m_
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 :9F''f$AP
:IVk_[s
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 8hK P
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 6snOMa GRu
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;w6fM
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Gl8&FrR
最后的布局是: O%JsUKV
Add ]Q4PbW
/ \ B?#k W!wj
Divide 5 I!@s6tG
/ \ jH&_E'XMX
_1 3 _))I.c=v
似乎一切都解决了?不。 QOV}5 0
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 jkF+g$B
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。 5Z9 ~
&U
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: Z<ajET`)
K/2. 1o;9
template < typename Right > {;&B^uz
]
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const UIf ZPf=
Right & rt) const :/v,r=Y9p
{ cZgMA8
F
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); n|x$vgb
} AUxM)H
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 (/SGT$#8
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。 e`Co,>W/
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。 ^}o7*
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。 *!g 24
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。 ;Rhb@]X
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? dCZ\ S91q
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: @GG(7r\/B
V \6(d
template < class Action > <8rgtu!VU
class picker : public Action ?Ml%$z@b?
{ h@~:(:zU$
public : Il{^
j6
picker( const Action & act) : Action(act) {} [6; N3?+
// all the operator overloaded (S
k#x
} ; ]^:hyOK
Re*|$r#
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 ,M)k7t:
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: _\dt?(m|
SPkKiEdM
template < typename Right > Mny'9hsl
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ?C
&x/2lt
{ L`UG=7r q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Q PFeBl
} <t{?7_ 8
Gz>Lqd
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > |1(rr%
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 EJZ@p7*Oj
{J~(#i
k
template < typename T > struct picker_maker g ?afX1Sg
{ JFM"ii{8
typedef picker < constant_t < T > > result; 2yN%~C?$
} ; 2wx!Lpr<i_
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > K1T1@ j
{ nW4Vct
typedef picker < T > result; z,{e]MB)M
} ; N5nvL)a~
>dpbCPJ9[
下面总的结构就有了: 'h-3V8m^e
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。 J=UZ){c>:.
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。 d5DP^u
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ! FNf>z+
至此链式操作完美实现。 5x8'K7/4.
Tu]&^[B('
Y4mC_4EU
七. 问题3 [E>R.Oe
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。 fO].e"}
]7a;jNQu
template < typename T1, typename T2 > [6D>f?z
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const FU%~9NKX
{ I4)Nb WQ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ?75\>NiR
} dQ: ?<zZ
L@w0N)P<!{
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: wms1IV%;
2~f6~\4GL+
template < typename T1, typename T2 > a{h%DpG
struct result_2 Zj qA30!
{ NuU'0_")/
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; _u>t3RUA
} ; f1A_`$>
_N98 vf0o
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Oqpp=7
这个差事就留给了holder自己。 VS?dvZ1cC
P:
n# S %
D7)(D4S4
template < int Order > U,e'ZRU6
class holder; Bn\l'T
template <> #wr2imG6
class holder < 1 > SO`dnf
{ U\Ct/U&A?
public : Hk,lX r
template < typename T > p ZtgIS(3
struct result_1 2s 7mI'
{ l '/N3&5
typedef T & result; 3[VWTq)D=
} ; b\?3--q
template < typename T1, typename T2 > qgtn5]A
struct result_2 A8J8u,u9
{ o,CBA ;{P
typedef T1 & result; L?!$EPr
} ; rJu[N(2k
template < typename T > "Nbos.a]5
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Yv^p=-E
{ !Cw!+fZ\l
return (T & )r; *vYn_wE
} <P1rqM9^
template < typename T1, typename T2 > <"?*zx&