一. 什么是Lambda 8q*MhH>6I
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 o%_MTCANy
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, C,T9xm
`\LhEnIwu
'wB6-
^{\gD23
class filler JbN@AX:%
{ 6) {jHnk)
public : |d}f\a`
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Z'sAu#C
} ; t}r`~AEa!
(`h$+p^-y
#Ezq}F8Y
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: wBlfQ
w-N
{.c(Sw}Eo
M ,qX
#>~<rcE(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); e45gjjts
H}G=%j0
py#`
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 z~tCag8I(k
wcGI2aflD
ie4keVlXc
]iu}5]?)
二. 战前分析 ~P&Brn"=Rs
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 EX^}#|e*h
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码
!]]QbB
|X&.+RI
Kjbt1n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Wr3j8"f/
/* --------------------------------------------- */ p<>xqU
vector < int *> vp( 10 ); u6&<Bv
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 52+;j[ ]/O
/* --------------------------------------------- */ m\a_0!K
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); #T\Yi|Qs#
/* --------------------------------------------- */ kO3{2$S6
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); @oC# k<
/* --------------------------------------------- */ Ki#({~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); jG($:>3a@
/* --------------------------------------------- */ 3V")~m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ftBbO8e
}1]E=!?)&
v(ABZNIn
Hx;ij?
看了之后,我们可以思考一些问题: ;8WgbR)ZLU
1._1, _2是什么? u`E24~
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。 R Wa4O#
2._1 = 1是在做什么? k2>gnk0
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。 BR8W8nRb
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。 C;m 7~R
dc#Db~v}k
=n
$@
三. 动工 |Ad1/>8i
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ]8,:E ]`O
Izrf42 >k
cY/!z
Vp3
9`m-W
template < typename T > )h(Dt(2Wm
class assignment &cj/8A5-
{ ^B9rt\,q
T value; J&,N1B
public : At5:X*vD
assignment( const T & v) : value(v) {} d~L`*"/)[
template < typename T2 > SB5[PDL_q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } .0x+b-x
} ; ?3:OPP`s
r,p6J7/lfS
qX'w}nJ}H}
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 gv=mz,z
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment X1* 6qd+E
bXcDsP$.
x?Wt\<|h!
jRz2l`~7#
class holder mT
N6-V
{ XQEGMaZ
public : 4}{S8fGk%
template < typename T > 'BT}'qN
assignment < T > operator = ( const T & t) const ]a%
*$TF
{ ?p{xt$<p
return assignment < T > (t); oOk.Fq
} a,Gd\.D
} ; o l67x
eqbxf#H!
#8;|_RU
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: 9kPwUAw
myH:bc>6
static holder _1; ]d"4G7mu`l
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 OwIW;8Z
@+",f]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); U*8;ZXi
而不用手动写一个函数对象。 ]Jj\**
]UnZc
b5YjhRimS
L1u
四. 问题分析 ?uUK9*N
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。 fys@%PZq
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。 =
PldXw0
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 p$}iBk0B(z
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 iV#JJ-OBq
下面我们可以对这几个问题进行分析。 E0=-6j
Df;FOTTi%
五. 问题1:一致性 Tgp}k%R~
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?| >HnD'y*
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 [!{*)4$6
daBu<0\
struct holder );$Uf!v4
{ >]"5K<-1
// P]2M
template < typename T > zW%-Z6%D
T & operator ()( const T & r) const ?PWD[mQE\
{ +SM $#
return (T & )r; >q
<,FY!A
} xkl'Y *
} ; 1rC8]M.N
oUZwZ_yKW
这样的话assignment也必须相应改动: 5(>m=ef"
pRXA!QfO
template < typename Left, typename Right > DVD}
class assignment @{.rDz
{ !.L%kw7z
Left l; Kv+E"2d
Right r; ;: Hfkyy]
public : ksY^w+>(!
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} H7"I+qE-G
template < typename T2 > -!">SY\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } T~ Jl{(s9)
} ; ".v9#|
]*}*zXN/E
同时,holder的operator=也需要改动: ZcX%:ebKS
cR$2`:e
template < typename T > O<f_-n@G|
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const s;}';#
{ {exF"ap
return assignment < holder, T > ( * this , t); hr@KWE`
} a%ec: %
4_PMl6qo
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。 QfU
0*W?r
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ` ]WU=Ss
~n]:f7?I
return l(rhs) = r; |kV,B_qz
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。 ;^}cZ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: XnWr~h{b
UN|"D]>/
template < typename Tp > xi;SKv;p
class constant_t K]@6&H-b|
{ -K}@Gp
const Tp t; $q.8ve0&^
public : A &w)@DOe
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 4s`*o/it
template < typename T > 9]|[z{v'>l
const Tp & operator ()( const T & r) const sPkT>q
{ k6[t$|lMy
return t; ; {I{X}b
} 1ErH \!
} ; /CKkT.Le
),bdj+wr78
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ~<v`&Gm?"
下面就可以修改holder的operator=了 AP3SOT3I
FjiLc=RXXz
template < typename T > ixiRFBUcF~
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const j(nPWEyJM
{ FD_0FMZ9,
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); _3A$zA
} [p4a\Qg0
-Rjn<bTIy
同时也要修改assignment的operator() P|HY=RMa
'-w G
template < typename T2 > =5dv38
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 6EX:qp^`
现在代码看起来就很一致了。 IA8kq =W
^Po\:x%o
六. 问题2:链式操作 lt,x(2
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ?/dz!{JC
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 n)`*{uv$
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。 q;kMeE*
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。 Htsa<tF
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ?0'bf y]
1`aFL5[0$
template < typename T > wQ.ild
struct result_1 f_raICO{R
{ i>)Whr'e8
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 8{?Oi'-|0
} ; %K ]u"
kP8Ypw&
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: i9.52
fVf.u'.8
template < typename T > 4,$x~m`N
struct ref [FyE{NfiJ%
{ =9pFb!KX
typedef T & reference; z)|56
F7'
} ; C=PBF\RkKu
template < typename T > *"9b?`E
struct ref < T &> $:
Qi9N
{ aK1|b=gVj
typedef T & reference; W4>8
} ; yRieGf1'SD
"me Jn/
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: -QZped;?*
fWKv3S1dT
template < typename T > d>vGx
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ||L qx#e=
{ Itz_;+I.Mp
return l(t) = r(t); R
)?8A\<E
} 6x[gg !;85
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 y'4=
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 G e~&Ble
PkG+`N
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 /3+7a\|mKr
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: '{OZ[$E
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 1RcaE!\p
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 dAAE2}e
最后的布局是: >mt<`s
Add UTs0=:+,t
/ \ IL>Gi`Y&
Divide 5 t~@TUTbx
/ \ ;'vY^I8-L
_1 3 Q*KEODR8\
似乎一切都解决了?不。 %
;6e@U}
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。 T+2?u.{I
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。 KZDB \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: 'MG)noN5
&1B)mj
template < typename Right > XM8C{I1
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const u4.-AY {
Right & rt) const NO9Jre
{ < ^J!*>
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); AK[9fxrE
} <ygkK5#q
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 YTYYb#"Q
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。 k`TEA?RfQ
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。 =<33(
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。 =2`s Uw}
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。 cQ+V4cW
Z
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? b/S4b
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: +o_`k!
A?6b)B/e?
template < class Action > [0IeEjL
class picker : public Action JQbI^ef_;
{ <pPI:D@G
public : qtgj"4,:`
picker( const Action & act) : Action(act) {} <cWo]T`X!
// all the operator overloaded lYy0
} ; :l*wf/&z
}25{"R}K
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。 1` 9/[2z
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: ];Z_S`JR
w1s#8:
template < typename Right > I98wMV8
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ew"[]eZ:ut
{ St&XG>nWS
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); hr)TC-
} VSP[G ,J.
\>jK\j
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ExnszFX*
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。 *W i(%
l sUQ7%f
template < typename T > struct picker_maker !0zM@p
{ 2@A7i<p
typedef picker < constant_t < T > > result; &f!!UZMt)
} ; n}._Nb
5
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > {~d4;ht1Y
{ $x`U)pv
typedef picker < T > result; geT<vh Z6
} ; sb8SG_ c.
~%GUc
~
下面总的结构就有了: xi|iV1A
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 A}oR,$D-
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。 ,rTR
|>Z
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 9$Hgh7'hvs
至此链式操作完美实现。 |NM.-@1
EcP"GO5
6:h!gY
七. 问题3 a:P%
r
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 7AtJ6
BfhOe~+i
template < typename T1, typename T2 > 8
A2k-X,
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 7eu7ie6
{ rKR<R(=!=
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); xx41Qw>\W
} 9fe~Q%x=u
/~AajLxu3W
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: &;C|=8eB
YJr@4!j*
template < typename T1, typename T2 > i%-c/ lop
struct result_2 !5p01]7
{ a*vi&$@`Z1
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; mT\]
} ; 4J_18.JHP
KqB(W,$
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? Ak|jJ
这个差事就留给了holder自己。 !QC->
QvqX3FU
/A{znE
template < int Order > ]Ub?Wo7F?
class holder; 4UG7{[!+
template <> zJtYy4jI)
class holder < 1 > 3D%I=p(
{ L+d_+:w
public : Q2iu}~
template < typename T > P^.L0T5g
struct result_1 ][#]4_
{ ~0ZP%1.B3
typedef T & result; et)A$'Q
} ; 3O$Q>.0 w/
template < typename T1, typename T2 > LVO`+:
struct result_2 @YV-8;hO
{ ].`i`.T
typedef T1 & result; <BT}Tv9
} ; Qs</.PO
template < typename T > Jf4D">h
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .y[=0K:
{ Fe`$mtPu .
return (T & )r; 6(X(f;MEl
} =j}]-!
template < typename T1, typename T2 > 3X%>xUI
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ,9
{ 8CwgV
return (T1 & )r1; m<