一. 什么是Lambda Sc;iAi
(
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ,2 zt.aqB
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, ill-%OPeg
;mf4U85
=_$XP
0On?{Bw
class filler qYgwyj=4
{ kfMhw M8kP
public : QHHW(InG<
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 18DTv6?QG
} ; M>*0r<qn
E;6Y? vJ
~-XOvKJb
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: YMc8Q\*B
X+]L-o6I2
rao</jN.9
?1GY%-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ^lHb&\X
1fz*SIjG
-M7K8
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 wF|0n t
Yw$a{5g
{l&Ltruhz
l^DINZU@
二. 战前分析 >.DF"]XM
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。 +R|U4`12
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 k1ipvKxp:8
l,*yEkU
JP{UgcaF
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 5SoZ$,a<e
/* --------------------------------------------- */ NoFs-GGGh
vector < int *> vp( 10 ); dO>k5!ge|:
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); <Vz<{W3t
/* --------------------------------------------- */ pyUNRqp
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); hnp`s%e,
/* --------------------------------------------- */ XXa(305
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); a{<p'_
/* --------------------------------------------- */ >Y7r\
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ybo#K
/* --------------------------------------------- */ YniZ(
~^K
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); |ZS 57c:
7%{R#$F
Hze-Ob8
G 6Wx3~
看了之后,我们可以思考一些问题: ( MB`hk-d
1._1, _2是什么? M
(+.$uz
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。 `d75@0:
2._1 = 1是在做什么? c5X`_
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。 q:vz?G
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。 1*Sr5N[=
.
_1jk
g d z
三. 动工 aRbx
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: lkV6qIj
"e~k-\^Y
S3SV.C:z>
'I&|1I^
template < typename T > ,`;jvY~Ec
class assignment RS'} nY}
{ HR;/Br
T value; uA~YRKer
public : y)6,0K {k
assignment( const T & v) : value(v) {} NA+&jV
template < typename T2 > XR|"dbZW.0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 3rxo,pX94
} ; CXTt(-FT
DC&A1I&
/@Ez" ?V2
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 >Z *iE"9"
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment b& V`<'{
yc*<:(p
>B0D/:R9
|Dg;(i?
class holder {T&v2u#S
{ Y5HfN[u^7
public : $Z/klSEf
template < typename T > hF2/
y.:P
assignment < T > operator = ( const T & t) const Yy]T
J
{ :v`o6x8
return assignment < T > (t); K>kLUcC7Z
} _WKJ<dB<
} ; !/947Rn
DMB"Y,
xS"$g9o0
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: 5|{)Z]M%9
[(1O"
static holder _1; UV4u.7y
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 kGm:VYf%
R8tF/dx>7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .Y! :x=e
而不用手动写一个函数对象。 K'NcTw#f
\ EZ+#3u
BjiYv}J
,*dzJT$k
四. 问题分析 F+Z2U/'a
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 9UP:J0 `
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 _vL<h$vD
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 &Cq{
_M
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 .!i0_Rv5x
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ;+
G9-
^|aNG`|O
五. 问题1:一致性 @44P4?;
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?| J/t!-!
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 }w@gj"\H
MD<-w|#8IV
struct holder 1i
u =Y
{ +3Y!xD?=
// h'l^g%;
template < typename T > 84'?um
T & operator ()( const T & r) const O-j$vzHpdY
{ {7X#4o0
return (T & )r; 2Pp&d>E4
} |6%.VY2b
} ; "V3}t4
,d|vP)SS
这样的话assignment也必须相应改动: Tw//!rpG
L~dC(J)@ZI
template < typename Left, typename Right > YdI0E
class assignment vBNZ<L\|a
{ }~Q5Y3]#~
Left l; 5 [4Z=RP
Right r; XrS\+y3
public : L,~MicgV
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ^uW%v2
template < typename T2 > uUG*0Lj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } !9r:&n.\
} ; pCC 7(Ouo
9=
V>f)R
同时,holder的operator=也需要改动: dv7<AJ
J{Tq%\a3
template < typename T > }E; F)=E
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ,- '4L9
{ 6e .v&f7(
return assignment < holder, T > ( * this , t); [9V]On
} F}U5d^!2
Fc8E Y*
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。 JDv-O&]
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ?+r!z
$b>}C= gt
return l(rhs) = r; HM&1yubh#
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。 MdC<4^|
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: K;U39ofW
kX[fy7rVt
template < typename Tp > wGJjA=C
class constant_t knT.l"
{ m&IsDAn
const Tp t; %M&3VQ9w
public : SMoz:J*Q(
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} $
[7 Vgs
template < typename T > X
\f[
const Tp & operator ()( const T & r) const @u)
'yS
{ B8m_'!;;
return t; H{V)g
} VXm[-
} ; Bf]$X>d
q* !3C
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 K>1X}ZMdD(
下面就可以修改holder的operator=了 @(:v_l
hVP
IHQt
template < typename T > alm-
r-Kb3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 8$vK5Dnn8
{ `qiQ$kz
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); gUVn;_
} +l?; )
9`"DFFSMS
同时也要修改assignment的operator() f:xWu-
dvjTyX
template < typename T2 > S#8>ZwQ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } F9H~k"_ZJR
现在代码看起来就很一致了。 (][LQ6Pc
d~*TIN8Ke~
六. 问题2:链式操作 {8@\Ij
现在让我们来看看如何处理链式操作。 N[Sb#w`[/
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 _3>djF_u
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 O8|*M "
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 b |7ja_
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Y )b@0'
ZPO|<uR
template < typename T > KJh,,xI>by
struct result_1 mm[SBiFO\
{ 0a2@b"l
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; I,O#X)O|i
} ; 61_f3S(u
Vq ^]s$'
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: !gP0ndRJ=
Yck~xt&]
template < typename T > N4UM82N
struct ref 9z ?7{2C
{ K:5eek
typedef T & reference; u&]vd /
} ; N[U9d}Zv
template < typename T > >dQ K.CG
struct ref < T &> Bct"X#W|&
{ N.j
"S'(i
typedef T & reference; ^Jx$t/t
} ; XnUO*v^]
`v nJ4*
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: wW`}VKu
A6UO0lyu
template < typename T > uDayBaR
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ^O6*e]C$
{ !/I0i8T
return l(t) = r(t); RT*5d;l0
} nr2r8u9r
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。 Llz['"m
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 HDIk9WC^
Z=+03
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 G&9#*<F$c
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Mkv|TyC
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 M{N(~ql
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 w1|Hy2D`0
最后的布局是: MZv\ C
Add i$UQbd
/ \ HJhH-\{@
Divide 5 S>_27r{
/ \ ;-@=
_1 3 }zMf7<C
似乎一切都解决了?不。 B|o%_:]+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。 >a>fb|r
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。 {0yu
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:
Xm_$
dZ
smU4jh9S
template < typename Right > $v27]"]
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 0 bSA_
Right & rt) const cF+ X,]=6
{ '$m7ft}
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8 i0
} N$ alUx*
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 O/OiQ^T
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。 py<_HyJ
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。 \2X$C#8E
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 F 3RB
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 &__DJ''+
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? /"#4T^7&
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: (ku5WWJ
;vp\YIeX1
template < class Action > SUdm 0y
class picker : public Action >Da~Q WW|
{ M##';x0
public : w|Aqqe
picker( const Action & act) : Action(act) {} uJow7-FD
// all the operator overloaded m],Ud\
} ; V1bh|+o9
|V&G81sM
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 1dG06<!
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: B~gV'(9g
yTAvF\s$(
template < typename Right > hWEnn=BW
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const H{`{)mS
{ $k2)8 #\
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); [*Ju3
} dcq#TBo8
Q~,YbZ-7
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > hR)2xz
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。 jBtj+TL8
UpUp8%fCU
template < typename T > struct picker_maker iI?{"}BZ
{ clDHTj=~
typedef picker < constant_t < T > > result; :nGMtF
} ; \ e:d)^cbh
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ;j}yB
{ a/:XXy |
typedef picker < T > result; ;e s^R?z
} ; pR$6,Vi
Fi;VDK(V9
下面总的结构就有了: ^Udv]Wh
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ?&c:q3_-Z
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 1;r69e
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 #MgvG,
至此链式操作完美实现。 Vb4;-?s_
;+_8&wbqW
vzR=>0#
七. 问题3 PEXq:TA
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 %5B%KCCN
j4.&l3
template < typename T1, typename T2 > wD9a#AgEd
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const KS<Jv;
{ xAdq+$><
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); d>i13dAI
} Z`_.x
&Y
h'5Cp(G
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: %FA@)?~
t9
F=^)s
template < typename T1, typename T2 > BGWAh2w6
struct result_2 n9UKcN-
{ <