一. 什么是Lambda TH>,v
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 0}D-KvjyP
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, G
~A$jStm
z6 a,0&;-L
bl`D+/V
i)[kubM
class filler yIWc\wv
{ y,V6h*x2
public : -EVs@:3]j
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} VZTmzIk.Y
} ; X'xUwT|_+
n_1jHJo
/Bh>
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 6UO$z- e
OelU
D/[$
G"{4'LlA
\Vz,wy%-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); !"`Jqs
PY2[S[
dK`(BA{`3
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 7oD
y7nV4
6N&|2: U
ovB=Zm
Y}S.37|+^
二. 战前分析 3hH>U%`-
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。 hcQSB00D^
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 9@Q&B+!
1*L^^%w
3`xsK[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); jmSt?M0.xV
/* --------------------------------------------- */ z+ uL "PG[
vector < int *> vp( 10 ); }'PG!+=I
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Etw~*
/* --------------------------------------------- */ & \JLTw
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 4Q@\h=r
/* --------------------------------------------- */ lQh~Q<[ge
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ftxTX3X
/* --------------------------------------------- */ gji*Wq
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Qg[heND
/* --------------------------------------------- */ b$dBV}0 L
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 8>ESD}(
>B`Cch/'U
t?KUK>>w
::v;)VdX+*
看了之后,我们可以思考一些问题: Z>X9J(=
1._1, _2是什么? uW )
\,
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。 v: giZxR
2._1 = 1是在做什么? !;TR2Zcn
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。 zaH
5
Km_j
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。 :,jPNuOA
9U&~(;
3\,MsoAl
三. 动工 =[ s8q2V
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: @51z-T
l+|1G
cW=Qh-`jU;
DE'Xq6#PK
template < typename T > 3'.!
+#
class assignment GI}4,!^N
{ Sw yaYK
T value; K*TnUQ
public : L^6"'#
assignment( const T & v) : value(v) {} "pOqd8>]
template < typename T2 > " 98/HzR
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } K1/
U
(A
} ; uFz/PDOZ@
JvKO $^
*@CVYJ'<
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ?){0-A4
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment fDL3:%D
Yd[U
3(aRs?/O
MgHOj
class holder D% oueW
{ bh{E&1sLh
public : [SK2 x4
template < typename T > ] gH
wfqx
assignment < T > operator = ( const T & t) const TViBCed40
{ {F<)z%^
return assignment < T > (t); )>ug{M%g
} "w>rlsT<O
} ; tX@0:RX%
SZCF3m&pz
!F=|*j
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: `'z(--J}`
\hjk$Gq
static holder _1; s-QM6*
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 nAQyxP%
3!i.Fmo
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Gg
7WmL
而不用手动写一个函数对象。 jA20c(O
.OVW4svX
lcu( "^{3
FQ;4'B^k]
四. 问题分析 <dju6k7uz
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。 ;cM8EU^.
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。 1x~%Ydy
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 $sA,$x:^xI
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8[6ny=S`
下面我们可以对这几个问题进行分析。 7Vz[ji
bBkm]
>
五. 问题1:一致性 !^c:'I>~
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?| o|R*POM
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 "Y"t2l_n
'Qm` A=
struct holder '5|Q<5!o
{ CL)1Q
// vjexx_fq
template < typename T > dzjB UD
T & operator ()( const T & r) const
:BewH?Ku
{ AzLbD2Pl
return (T & )r; 8m#}S\m
} 3v8V*48B$
} ; }-REBrb-
r;&]?9)W0
这样的话assignment也必须相应改动: -mev%lV
c!'A)JD@
template < typename Left, typename Right > Ze[g0"
class assignment Y9IJ
{ C m,*bgX
Left l; ltCwns
Right r; ;n( #b8r9
public : ]`#xR*a
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} e5*5.AB6&
template < typename T2 > 9f\aoVX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } bE7(L
$UF
} ; )LXoey!aZ
nx!qCgo
同时,holder的operator=也需要改动: e67c:Z
AijPN
template < typename T > "E@NZ*"u
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const [
4?cM\_u@
{ Uv
@!i0W
return assignment < holder, T > ( * this , t); .4S^nP
} _aXP
;kFMi
?D*Hl+iu
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 KKeb ioW
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 SY!`a:It
4_6W s$x
return l(rhs) = r; RZ#alFL,
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。 JfZL?D{NM
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ql#{=oGDnA
>,w\lf9
template < typename Tp > rh:s
7
class constant_t TTA{#[=7
{ d&PE,$XC
const Tp t; ImUQ*0
public : "4Vi=* 2V
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} p6&LZ=tL3
template < typename T > hYP6z^
const Tp & operator ()( const T & r) const SeRK7Q&_
{ ,_"7|z wb
return t; ~6@c]:
} D-TNFYYy2
} ; cM> G>Yzo
! /|0:QQi
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 #hy5c,}>
下面就可以修改holder的operator=了 ugIm:bg&
38x[Ad4%
template < typename T > _Ep{|]:gw
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ~>}dse
{ \j2:
6]Hm
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); c t2_N
} "v\ bMuS
x[GFX8h(k6
同时也要修改assignment的operator() `@fhge
hQg,#r(JE4
template < typename T2 > ;X*K*q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 9}%~w(P
现在代码看起来就很一致了。 6SW|H"!!
ND9n1WZ&x
六. 问题2:链式操作 u):%5F/
现在让我们来看看如何处理链式操作。 mC{!8WC@k
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 mFgb_Cd
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ),D`ZRXS
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 gZ`#tlA~
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct iGEQXIr3
E i\J9zt
template < typename T > )RAv[U1
struct result_1 SxLHFN]
{ K^]?@oHO
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Mv7w5vTl
} ; FT3,k&i
~n8Oyr
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: :w
{M6mM>
#GDh/t2@
template < typename T > xoz*UA.
struct ref 8^P2GG'+-
{ 323yAF
typedef T & reference; *'s2
K
} ; GDo)6du
template < typename T > c"%_]7
struct ref < T &> Gg}LC+Y
{ ?j&~vy= T
typedef T & reference; 1eE]4Z4Q
} ; JhMrm%
|(J
?#?
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Sg_-OX@f
~$y#(YbH
template < typename T > -tK;RQYax
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const $ sA~p_]
{ Kd`l[56#
return l(t) = r(t); +e\:C~2f28
} Q?Bjq>
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。 _Ssv:xc,
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 %b-;Rn
>"sKfiM)b
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 (<>Sz(
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: C~
}Wo5
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 xdbu|fC
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 3-9J"d!
最后的布局是: @
@3)D%h
Add D:6x*+jah)
/ \ r0Y?X\l*
Divide 5 R
uFu,H-
/ \ U47k5s(J
_1 3 %T ,\xZ
似乎一切都解决了?不。 %`s9yRk9>E
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。 ,h wf
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。 ',J%Mv>Yf
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: -?%{A%'
M$>WmG1~D
template < typename Right > 1^WA
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const QX.F1T2e?
Right & rt) const t;e]L'z@:
{ of[|b{Ze4~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); yN WbI0a
} W"}*Q-8W
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 <4!&iU+;
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 .f.j >
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 ZAnO$pA
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。 4Ow
Vt&
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。 o{-USUGj7
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/Seg"
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: `aX}.{.!
UQji7K }
template < class Action > zOu$H[
class picker : public Action i*cE
{ 0| DG\&?
public : D)/XP
picker( const Action & act) : Action(act) {} !3X%5=#L4
// all the operator overloaded QLpTz"H
} ; d=+Lv<
/bNVgK`L5
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 L/ICFa.G
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: {L2Gb(YLW
vS*0CR\
template < typename Right > @R-~zOv
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const )H37a
{ z7l;|T
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); `aWwF}
+Y
} NM.f0{:cj
^kR^
QL$
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > {'wU&!
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。 {If2[4!z
7N~qg 7&
template < typename T > struct picker_maker #35S7G^ @`
{ BI]ut|Qw
typedef picker < constant_t < T > > result; GE3U0w6WbK
} ; W%jX-
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 4Igs\x{i
{ 5Ret,~Vs9|
typedef picker < T > result; RWh}?vs_
} ; W!Ct[t
y3o4%K8
下面总的结构就有了: M3Z Jt' |
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。 ?=@Q12R)X
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。 aab4c^Ms=
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 :PjUl
至此链式操作完美实现。 G'}_ZUy#
&LxzAL,3!
fdH'z:Xao
七. 问题3 RVKaqJ0e<
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。 ^%OH}Z `ly
;Q,).@<C
template < typename T1, typename T2 > |s3HeY+Co
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const U+}9X^
{ sxQ ,x/O
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 7!yF5+_d
} _ L:w;Oy9T
my\oC^/9
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: Z FrXw+
+uGP(ONY
template < typename T1, typename T2 > Vqp.jF1|
struct result_2 d<cbp[3F
{ Ex s _LN
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; +MoxvW6
} ; +fQ$~vr{'
PM?Ri^55<L
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? #pn AK
这个差事就留给了holder自己。 90if:mYA
K'rs9v"K|
Nm:<rI,^
template < int Order > N, +g/o\f
class holder; #1!BD!u
template <> |`D5XRVbi
class holder < 1 > Q@.9wEAJ
{ _.8]7f`*Gc
public : ^l2d?v8
template < typename T > d=OO(sf
struct result_1 kd4*Zab
{ FEi,^V
typedef T & result; jxOVH+?l%
} ; ?}Ptb&Vk(
template < typename T1, typename T2 > F1[[fH
struct result_2 3\l9Sf=M|
{ )xy{[ K|M(
typedef T1 & result; C%o/
} ; KZ/^gR\d
template < typename T > EsxTBg
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const }~,cCtg:o
{ J3S byI!T
return (T & )r; ;A'17B8
} l#f]KLv4N_
template < typename T1, typename T2 > 9d(v^T
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const >Vm
{ eS%6hUb
return (T1 & )r1; "ZB`fNE
} nPX'E`ut-V
} ; [&kk
EBE>&{%$^
template <> ,^[37/S
class holder < 2 > ]T$w7puaJ
{ QMpA~x_m
public : (eIxU&o'
template < typename T > Y0C<b*!"ST
struct result_1 MZMv.OeYt,
{ @ y2Bq['
typedef T & result; 1`JN
} ; soK_l|z:J
template < typename T1, typename T2 > \D k^\-
struct result_2 =y/Lbe}:
{ \bmboNe
typedef T2 & result; t4W0~7
} ; 2Sd6b 2-
template < typename T > &`y_R'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {YLJKu!M
{ UdgI<a~`k6
return (T & )r; Uy'ZL(2
} " yl"A4p
S
template < typename T1, typename T2 > `X03Q[:q"[
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const
n&{N't
{ u"$HWB~@z
return (T2 & )r2; 7#*CWh1BNO
} . ihn@eg
} ; wm[d5A4
*"L:"i`*$
FOyfk$
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> >。 BrmFwXLP"
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: xyCcd=
首先 assignment::operator(int, int)被调用: l zknB
T1
.@Tbbt
return l(i, j) = r(i, j); K4L#%KUPW
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) rxA)&