一. 什么是Lambda |OIU)53A-
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 h]&o)%{4
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, ~R~eQ=8
]3uj~la
C)ic;!$Qhb
V6_~"pRR=
class filler L&&AK`Ur3l
{ <GSp%r
public : :VE0eJ]J6
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} oo|Nu+
} ; K+`deH_d
} wx(P3BHD
Mg&<W#$K
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: DS ;.)P"
cyB2=,
BzTzIo5
@>`qfy?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); fYlqaO4[
dg&GMo
S2EV[K8#
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 o0TB>DX$`
0@RVM|
=b>e4I@
Fi#
9L
二. 战前分析 MJU*Sq
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 68~5Dx
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 U "v=XK)!
M|7][!<G!
~|{_Go{
Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |{La@X
/* --------------------------------------------- */ `t+;[G>ZE
vector < int *> vp( 10 ); # ELYPp]6
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %-
Ga^[
/* --------------------------------------------- */ _O&P!hI
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); hHgH'
/* --------------------------------------------- */ rVwW%&
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); @/xdWN!,
/* --------------------------------------------- */ ,m M7g
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); <DhuY/o
/* --------------------------------------------- */ 2\CZ"a#[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ]PB95%
S$/SFB$)~W
60l!3o"p!
MHS|gR.c
看了之后,我们可以思考一些问题: dRUmC H
1._1, _2是什么? HahA} Q
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ={50>WXE
2._1 = 1是在做什么? P>R u
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ;8w
CQ
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 N!<X%Ym
6\? 2=dNX
f;!L\$yKy
三. 动工 HBA|NV3.
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: sn+ kFvk}S
o;>qsn8
+ZkJ{r0,(
IiV]lxiE]
template < typename T > QT4vjz+|
class assignment 6t gq.XL^n
{ a!.Y@o5Ku
T value; k=X)axt1
public : z6fY_LL
assignment( const T & v) : value(v) {} yF-`f
_
template < typename T2 > 3dgPP@7d$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } KON^
} ; Rb0{W]opt+
1";s#Jq
<kazV<"
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 xPJ@!ks9
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 10_>EY`
OX [r\
Ct$\!|aR
D8`SI21P
class holder 2#Qw
{ W+Ou%uv}S
public : :\^jIKvZ
template < typename T > W>u{JgY
assignment < T > operator = ( const T & t) const 31N5dIi,
{ /xd|mo)D
return assignment < T > (t); TXqtE("BDl
} !E^\)=E)P
} ; XE#$|Z
H-eHX3c7
NleMZ
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: 9 $^b^It
$&s V.fGu
static holder _1; M2nUY`%#v
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 w`atk=K
J2k4k
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sIRfC<
/P
而不用手动写一个函数对象。 )GOio+{H
)ib$*dmUP
Su<>UsdUC
VdGpreRPC
四. 问题分析 8&CQx*
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。 !:v7SRUXb
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。 $Qxy@vU
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 eKRE1DK
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ED>P>Gg
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ADA}_|O
W9S6
SO^\
五. 问题1:一致性 .u]d5z
BR
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 8_M"lU0[
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Q~` {^fo1
'ZAIe7i&
struct holder KLjvPT\
{
|{MXDx
// *]c~[&x5&
template < typename T > NMzq10M=6
T & operator ()( const T & r) const ssl.Y!
{ :.(A,
return (T & )r; Z7k ku:9
} '_ys4hz}
} ; %8>0;ktU
B/Ltb^a
这样的话assignment也必须相应改动: s0DT1s&
'f8'|o)
template < typename Left, typename Right > orAr3`AR3
class assignment c7nbHJi
{ HE0m#
Left l; I/u>Gt
Right r; B?4Iu)bCxI
public : R`,|08E
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Q'YakEv >=
template < typename T2 > hfg
^z5
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } BE!l{
} ; Ql"~ z^L
CtZOIx.;|
同时,holder的operator=也需要改动: \5j#ad
T=CJUla
template < typename T > %eGI]!vf
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const *77Y$X##k
{ >?.jN|
return assignment < holder, T > ( * this , t); AuY*x;~
} \uZ1Sl
f<y3/jl4
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。 a3,A_M}M'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 z`,dEGfh^
un}!&*+
return l(rhs) = r; D'#,%4P,e\
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。 6NQ`IC
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: G[n;%c~`+
)_}xK={
template < typename Tp > 9<o*aFgCa
class constant_t Yy,XKIqU
{ 2 ]n4)vv,
const Tp t; +`!>lo{X
public : t
;fJ`.
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} %AA-G
template < typename T > 5Ha(i [d
const Tp & operator ()( const T & r) const c= aZ[
{ E&)o.l<h|
return t; uH#X:Vne
} <v?2p{U%
} ; _|#P~Ft
x@D>JG
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 "BIhd*K[~
下面就可以修改holder的operator=了 g+Y &rz
a6?t?:~|
template < typename T > n*caP9B
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const @9l$jZ~x
{ 2nCHL'8N
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); X]dN1/_
} ""IPaNHQ
qHPinxewx
同时也要修改assignment的operator() (3=bKcD'
S'`RP2P
template < typename T2 > ,rOh*ebF
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } :d~mlyFI6P
现在代码看起来就很一致了。 uc LDl
\\{78WDA
六. 问题2:链式操作 \\C!{}+
现在让我们来看看如何处理链式操作。 U*XdFH}vV
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ($gmN 4
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。 AdbTI#eY
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。 ]hRs -x
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct L@J$kqWY
s~k62
template < typename T > UG]x CkDS
struct result_1 uWi pjxS
{ #c9MVQ_
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; b#n
} ; E!`/XB/nA
-VP_Aw$
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: %VE FruM
<3Rq!w/
template < typename T > Z7 ++c<|p
struct ref mq4VwT
{ h7S;
4]
typedef T & reference; W#kLM\2L
} ; 8E>2
6@.
template < typename T > s !II}'Je
struct ref < T &> ]qx!51S
{ ^;$9>yi1
typedef T & reference;
"#pN
} ; iZ0(a
:Ye~I;"8
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Hi U/fi`
%D7 '7E8.
template < typename T > cW?6Iao
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 4-9cp=\PE
{ "&\(:#L
return l(t) = r(t); d
<zD@ z
} kmt+E'^]
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。 @P[%6 d
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 F5{GMn;j
Ds@K%f(.?w
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 B5_QH8kt7
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: !Nbi&^k B
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ,t|_Nc
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 MfA%Xep
最后的布局是: V'9OGn2v
Add j`_Z`eG
/ \ e.(RhajB
Divide 5 iztgk/(+G
/ \ !Wy&+H*0
_1 3 >n1UK5QD
似乎一切都解决了?不。 "o@R}_4]q
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。 -*2b/=$u
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 3Qp6$m
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: aw7pr464
{@s6ly].
template < typename Right > 5oOs.(m|*C
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const [7[$P.MS{
Right & rt) const ]ed7Q3lq
{ \\ZhM
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); UM'JK#P"
} .:(gg
下面对该代码的一些细节方面作一些解释
\P*%u
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 1Sv$!xX`n
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。 2(GLc*B>
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。 =wa5\p/
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。 -CPLgT
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? FH;)5GGnv
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: fQw|SW
f%REN3=5K
template < class Action > GB}X
class picker : public Action ke'OT>8
{ }-vP~I
public : wD@ wOC
picker( const Action & act) : Action(act) {} avqJ[R
// all the operator overloaded }~#qDrK
} ; t'C9;
!DKl:8mx4
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。 Y1BxRd?D
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: fi6_yFl
z7a@'+'
template < typename Right > XLm@, A[
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const u7-0?
{ 5jTA6s9z A
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 3>z+3!I z
} Kn\$\?u
,- _ReL
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ]`}EOS-Q
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。 sB01QVx47
^.Q/iXgh
template < typename T > struct picker_maker XsMETl"Av4
{ =I+5sCF{g
typedef picker < constant_t < T > > result; RP wP4Z
} ; >
!HC
?
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > <"S/M]9
{ JZ-M<rcC
typedef picker < T > result; dw7h@9\y
} ; {7=k/Y*U
6<UI%X
下面总的结构就有了: [wJl]i
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。 $U%N$_k?
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。
.r@'9W^8
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 tNW0 C]
至此链式操作完美实现。 GU)NZ[e
Q\$cBSJC1
"C+Fl
/v
七. 问题3 PmDar<m
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。 |>nVp:t^
,q
Bu5t
template < typename T1, typename T2 > uL@'Hv A
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const T9gQq
7(l
{ s06R~P4
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); N37#Vs
} ~|e H8@o
7JP.c@s
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: f=40_5a6
glWa? #1
template < typename T1, typename T2 > /A`Lyp#
struct result_2 jt",\%j
{ N)$yBzN
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; N_E:?Jo
} ; {7FD-Q[tS
=/HTe&
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? C#.d
sl
这个差事就留给了holder自己。 B4 # gT
4buzx&
QBT_H"[
template < int Order > ,An*w_
class holder; D5
^Wi Q<
template <> %C*h/AW)'
class holder < 1 > $qhVow5~
{ p"J\+R
public : #'kVW{
template < typename T > I*8_5?)g<
struct result_1 a~[]Ye@H
{ ?I#zcD)w
typedef T & result; `LVX|l62
} ; [Uu!:SZ
template < typename T1, typename T2 >
*:V"C\`^n
struct result_2 {\-IAuM
{ n!\&X9%[8
typedef T1 & result; i52:<<