一. 什么是Lambda J@/4CSCR]
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~_JfI7={Jn
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, u]NsCHKlT
c>D~MCNxg
u=InE|SH
;&J>a8B$
class filler >xo<i8<Miv
{ =nCA=-Jv
public : :Y /aT[
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} [ ?7QmZK
} ; 9*I[q[>9
A)9]^@,
c\o_U9=n
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: DlCN
Hb*Z_s
?9{^gW4|
7WmLC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); o`Z3}
a({Rb?b
gD)M7`4
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 rR@]`@9
A<c<!N
#g$I>\O<
)wjpxr
二. 战前分析 i695P}J2
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Pq+|*Y<|&
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 I(VqtC:K.
axC{azo|
hJ8&OCR }
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 7hn[i,?`
H
/* --------------------------------------------- */ 7#"NKxb
vector < int *> vp( 10 ); :|5 m"X\
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); cu}(\a
/* --------------------------------------------- */ UUWRC1EtI
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); >b\|%=(x!*
/* --------------------------------------------- */ I52nQCXi
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 0);5cbV7i
/* --------------------------------------------- */ -<x%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); o0No"8DnjH
/* --------------------------------------------- */ l,Q`;v5|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 31^/9lb
90+Vw`Gz=
/'{vDxZf R
<fBJ@>
看了之后,我们可以思考一些问题: R-pON4D"*
1._1, _2是什么? }*!L~B!
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 QyTNV
2._1 = 1是在做什么? -ABj>y[
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 U*K4qJ6U
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 )( 3)^/Xz
t9<BQg
}!fIY7gv
三. 动工 a+z>pV|
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: p\_3g!G'
2|ee` "`
^~l@ _r
[MAPa
template < typename T > %6lGRq{/?
class assignment rV"3oM]Lo
{ ^[[@P(e>
T value; -T+YMAFU_
public : uu]C;wl
assignment( const T & v) : value(v) {} k2->Z);X
template < typename T2 > uYs45 G
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 4V[(RXc/
} ; 4mW$+lzn
81#x/&E]
,O.iOT0=;
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 > Q=e9L=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment u=@zYA(
]2"UR_x
#QlxEs#%
6E_~8oEl
class holder ]+pE1-p\
{ Rh~j -;
public : F6CuY$0m=
template < typename T > D`41\#ti
assignment < T > operator = ( const T & t) const m-C#~Cp36
{ !4^Lv{1QZ
return assignment < T > (t); P)y2'JKL
} ql.[Uq
} ; u7J:ipyiq2
8}[<3K%*g
&VU^d3gv~
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: ok ,O/|E}?
}@$CS5w
static holder _1; >nehyo:#
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 aTHf+;
kQ\l7xd
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); s!gVY!0
而不用手动写一个函数对象。 +{6:]
l8M}82_
p{qA%D
v^/<2/E"?4
四. 问题分析 qe1>UfY
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。 D)L~vA/8b
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。 &> .QDO
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 uUBUUr
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 -=:tlH
n
下面我们可以对这几个问题进行分析。 o^uh3,.
U\{I09@E 0
五. 问题1:一致性 _^eA1}3
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?| 'q/C: Yo
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ~nj+"d]
XkW@"pf&Fh
struct holder @!x7jPr
{ A&KY7[<AC{
// Bd>ATc+580
template < typename T > _wg~5'w8
T & operator ()( const T & r) const tg%<@U`7=
{ S._h->5f
return (T & )r; 2,|@a\H
} TFbF^Kd#:d
} ; 5M8
l~f9F`~'
这样的话assignment也必须相应改动: y
</i1qM
2mx }bj8
template < typename Left, typename Right > )OlYz!#?
class assignment Vhm^<I-d
{ sdewz(xskj
Left l; %74f6\
Right r; N'5DB[:c:
public : s.Mrd~(Drz
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 03
v\v9<T
template < typename T2 > "tK3h3/Xv
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } La^Zr,T!
} ; f|!@H><
(hY^E(D
同时,holder的operator=也需要改动: Jju?v2y`
5(\[Gke
template < typename T > l29AC}^
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ]?jmRk^.
{ Gv(n2r
return assignment < holder, T > ( * this , t); T(q Hi?Y
} (ke<^sv7!
q<fj1t1w
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。 p7*7V.>X
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Z%-uyT@a
.L]2g$W\p
return l(rhs) = r; brn>FFAwO
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 pAEJ=Te
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ~3Z(0gujD
Xn<|6u
template < typename Tp > !\&4,l(
class constant_t `UkjrMO
{ 3bugVJ93
const Tp t; )4+uM'2%
public : ."q8 YaW
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} @6b;sv1W
template < typename T > SYOU&*
const Tp & operator ()( const T & r) const 8wS9%+
{ f
K4M:_u
return t;
Z\$!:
} =0U"07%}
} ; y2C/DyuAY|
\g@jc OKU
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 L\<J|87p?
下面就可以修改holder的operator=了 MD+eLA7
PzLV}
template < typename T > -1!s8G
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ;u%4K$
{ 3'`X_C|d53
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); -g vS3`lX
} eR8>5:V_
K*MI8')
同时也要修改assignment的operator() st CFLYox
yD ur9Qd6
template < typename T2 > lzZ=!dG
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ZOzyf/?.
现在代码看起来就很一致了。 rmnnV[@o
4_Rv}Yd
六. 问题2:链式操作 &-Z#+>=H(
现在让我们来看看如何处理链式操作。 :Z5kiEwYM
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。 23UXOY0BW
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。 vf_pEkx*wD
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。 @]{:juD~
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct tbi(e49S
_ID =]NJ_
template < typename T > /^Lo@672
struct result_1 ,PyPRPk
{ x\(yjNZH
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; TGPHjSZ1
} ; \cq.M/p
q/YO5>s15
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: .rbKvd?-}
=~QC)y_
template < typename T > hB*3Py27L
struct ref }Qvoms<k
{ wsCT9&p
typedef T & reference; n!XSB7d~X
} ; d e~3:
template < typename T > s!BZrVM%I`
struct ref < T &> t+SLU6j,
{ j(=zc6m
typedef T & reference; TsZX'Yn
} ; #*K!@X
X<$8'/p r
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: kC6s_k
qfEB VS(
template < typename T > cE]#23
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const E;x~[MA
{ K,GX5c5
return l(t) = r(t); D61e
} 6NqLo^ "g
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Sst`*PX:
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ()i!Uo
&($Zs'X
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 Z})n%l8J]p
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: z'}?mE3i
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 6P I-"He
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Th//u I+
最后的布局是: 5Bc)QKh`l|
Add V5ihplAk
/ \ OL"So
u4
Divide 5 DK;/eZe
/ \ >'zp
_1 3 tlFc+3
似乎一切都解决了?不。 dQL!
>6a
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。 { e%
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。 KBFAV&
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: Jid :$T>
Kq0hT4w
template < typename Right > 0Z{(,GU
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const $/(H%f&
Right & rt) const &^YY>]1Py
{ KhV;
/>(
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); DP_bB(
} t`mLZ
<X
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Mhw\i&*U
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 W}1h~rNy
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 !f\6=Z?>3
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 )FqE8oN-
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 SVo`p;2r
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ",rA
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明:
'[#uf/~W
P5P<-T{-c
template < class Action > n1W}h@>8
class picker : public Action :r/rByd'
{ *lG$B@;rc|
public : y!^RL,HIL
picker( const Action & act) : Action(act) {} /(nA)V( :
// all the operator overloaded qO9_e
} ; <`9:hPp0
wEMUr0Hq
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。 c(AjM9s
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: &4DV]9+g
V*'9yk"
template < typename Right > E|Grk
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const `czXjZE
{ Zy7@"C
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d*,|?Ar*b
} VuZmX1x)N
rd1&?X
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > o#wF/ I
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。 ?I 1@:?Qi
}Gz"og*8
template < typename T > struct picker_maker 5J&n<M0G1
{ ~ab"q%
typedef picker < constant_t < T > > result; oci-[CI,
} ; 9HEc=,D|
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 95wV+ q*
{ %r!
typedef picker < T > result; T+4Musu{V
} ; >)pwmIn<
W3 8=fyD
下面总的结构就有了: qW<: `y
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。 {YbqB6zaM
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。 M3F8@|2
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 a<gzI
至此链式操作完美实现。 n(f&uV_):
a3lo;Cfp
:({lXGc}4?
七. 问题3 p-;]O~^
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。 65J'uN
x{ZVq 4
template < typename T1, typename T2 > ypd
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const iKS9Xss8
{ U.6hLFcE
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 9 [I ro
} #t(?8!F
H_8@J
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@PZL= ]
[bOy,^@4
template < typename T1, typename T2 > 4
|5ekwk
struct result_2 kh,M'XbTo
{ Iwn@%?7
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; MB |(,{S
} ; 63u'-Z"4
b]g.>$[nX
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? O:BP35z_F
这个差事就留给了holder自己。 [7s5Vt|
;Ok11wOw
?<LG(WY
template < int Order > $z,bA*j9
class holder; -owfuS?i=
template <> #i]@"R
class holder < 1 > Xs`:XATb/
{ ev guw*u
public : YHRI U Yd
template < typename T > &'](T9kg=
struct result_1 R&alq
{ 4*9Dh
typedef T & result; wRiP 5U,
} ; iN{TTy
template < typename T1, typename T2 > Ph%s.YAZ~
struct result_2 Dps{[3Y+
{ `Ys })Pl
typedef T1 & result; 8\V-aow
} ; mpF_+Mn
template < typename T > YI|Gpq
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const h?1pGz)[C
{ vaxg^n|v9
return (T & )r; G[^G~U\+!
} V[bc-m
template < typename T1, typename T2 > 0,A?*CO
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const O#U"c5%
{ )
k2NF="o
return (T1 & )r1; =J'?>-B
} QJE-$ :
} ; N^ET
qg
'_&(Iwu
template <> SmLYxH3F
class holder < 2 > y-X'eCUz
{ uHIWbF<0oo
public : s+w<!`-
template < typename T > Y'HF^jv]R
struct result_1 N*MR6~z4
{ 7cy~qg
typedef T & result; xXYens}
} ; B*AMo5
template < typename T1, typename T2 > V$_0VN'+Z
struct result_2 @ixX?N)V
{ #<e7 Y0
typedef T2 & result; Rj&7|z
} ; bYgYP|@
template < typename T > %N
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const H'`(|$:|
{ mT>p:G
return (T & )r; Zll^tF#
} zn x_p/V
template < typename T1, typename T2 > 0X-2).nu
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \O?B9_
{ stG&(M
return (T2 & )r2; &sgwY
} *u>\&`h=
} ; iQIw]*h^
`;qZ$HH
:&-}S>pC
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 :Ir:OD#o
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: yfW^wyDd2o
首先 assignment::operator(int, int)被调用: IjRmpVcwN
M^f1D&A