一. 什么是Lambda K;/f?3q
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 O#tmB?n*
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, oi Q3E
+
o< 7*
n}NUe`E_h
nILUo2e~
class filler `mkOjsj &
{ heF'7ezv#
public : s,-<P1}/
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Z+R-}<
} ; 34k(:]56|
\sGJs8#v][
j.Y!E<e4]
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: ^N}{M$
`iuQ.I
L_Z`UhD3{
-XECYwTh
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 'o]}vyz;
D6_#r=08
2QHu8mFU
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 k="wEZ;Q
)$Fw<;4
@zR_[s
q+YK NXI
二. 战前分析 Xa8_kv_
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 qzD
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 w2"]%WS %
ku v<
:)_P7k`>e/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 0} \;R5a<
/* --------------------------------------------- */ Iq;a!Lya-
vector < int *> vp( 10 ); o,1Fzdh6(
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); {flxZ}
/* --------------------------------------------- */ P`hg*"<V
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 1eqFMf
/* --------------------------------------------- */ YWhS< }^
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 9LEUj
/* --------------------------------------------- */ imS&N.*3m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); QZ-6aq\sgp
/* --------------------------------------------- */ Lp||C@h~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); #5kg3OO
9NC6q-2
l&Fx<
W
@n=FSn6c
看了之后,我们可以思考一些问题: Xo4K!U>TzZ
1._1, _2是什么? 8-vNXvl
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 Vzrp9&loY
2._1 = 1是在做什么?
- zEQ/6
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 S1$&
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。 NE$=R"<Gv
gJn_8\,C>Q
Y'LIk Q\
三. 动工 tdRnRoB
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 'v3>"b
tO QY./I
R75np^
78+PG(Q_M
template < typename T > r`'n3#O*
class assignment \\Huk*Jn{
{ Hb *&&
T value; [318Q%W&
public : 6cOm 8#
assignment( const T & v) : value(v) {}
t"'aQr
template < typename T2 > VJ(#FA2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 5AT[1@H(_
} ; AA,n.;zy<
*e05{C:kS
P\H$*6v(
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 /v:+
vh*mS
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment pEE.%U
+lqX;*a=N
f~? MNJ2
`=3:*.T*
class holder HI30-$9
{ toCT5E_0=
public : Hi<5jl
template < typename T > !N1DJd
assignment < T > operator = ( const T & t) const (a i&v
{ }A%Sx!7~
return assignment < T > (t); B@Q Ate7
} anTS8b
} ; v9OK
<
G u-#wv5@
1yN/+Rq
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: y++[:M
sc^TElic
static holder _1; 3X&}{M:Qo
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Xo>P?^c4?
=q(;g]e
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); b}9Ry"
而不用手动写一个函数对象。 viT/$7`AI
@4D$Xl
Vx^+Z,y&QP
? y},,
四. 问题分析 jm>3bd
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。 cu#e38M&eE
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。 5,+\`!g
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 x_@i(oQ:_
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 (J:dK=O@Z
下面我们可以对这几个问题进行分析。 OQ_stE2i
s #:%x#
五. 问题1:一致性 A3P9.mur
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?| Y{Ap80'\6
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ed~R>F>
E|Bd>G
struct holder _|c&@M
{ 8?TKN~ja
// "#^MUQ!a
template < typename T > XOrfs sj
T & operator ()( const T & r) const 74vmt<Q
{ $,1dQeE
return (T & )r; K6\` __mLf
} /dHs &SU,
} ; ayp b
\,W.0#D8v4
这样的话assignment也必须相应改动: &TN2 HZ-bJ
f|0lj
template < typename Left, typename Right > gzfb zt}?
class assignment H;vZm[\0N-
{ 9$WJ"]
Left l; o 5Zyh26
Right r; go|>o5!g
public : 3_ 2hC!u!K
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} =DgCC|p
template < typename T2 > ?A=b6Um
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } i&ts YnP2
} ; @h-T:$
P[gO85
同时,holder的operator=也需要改动: to3?$-L
3A0_C?E
template < typename T > W}gVIfe
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const tW6#e(^l6
{ *re 44
return assignment < holder, T > ( * this , t); A!HK~yk~Q
} ?z.Isvn
g{ (@uzqG
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。 Xz1c6mX|o
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Lt<oi8'N
9]~PCZ2j
return l(rhs) = r; ZJXqCo7O
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。 }brr ))
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: c cr" ep
V9jFjc?
template < typename Tp > &+;uZ-x
class constant_t "Gh#`T0#a
{ Q_lu`F|
const Tp t; 2ij/N%l
public : D0%FELG05
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} mTd<2Hy
template < typename T > ZrcPgcF
const Tp & operator ()( const T & r) const i7v/A&Rc
{ F ?mA1T>x
return t; {5x>y:v
} ABiC9[Q0
} ; $MT}l
GMb!Q0I8
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 59MR|Jt
下面就可以修改holder的operator=了 }:^X X0:FK
a(Sv,@/
template < typename T > Q!)z)-hI
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const '}zT1F*
p=
{ z|%Bh
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Jk~UEqr+
} ,lP7 ri
Ys+N,:#R
同时也要修改assignment的operator() Ltg-w\?]
5=.7\#D
template < typename T2 > z (#Xca
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Sgx+V"bkT
现在代码看起来就很一致了。 Fj3^
#ly
Jmy)J!ib*
六. 问题2:链式操作 r&/D~g\"|[
现在让我们来看看如何处理链式操作。 5Q;dnC
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 r'PE5xqF
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 69OET_AS>
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 1J+3a-0
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ZK!4>OuH`
e18T(g_i
template < typename T > ndB@J*Imu
struct result_1 &
]%\.m
{ M3PVixli3
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; (A|B@a!Y>
} ; 7j95"mI
O{*GW0}55
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ;]"n?uo
ew/KZE
template < typename T > =^"~$[z(
struct ref V 3%Krn1'
{ U0zW9jB
typedef T & reference; a\Tr!Be,
} ; Jn60i6/
template < typename T > AwA1&mh
struct ref < T &> e$x4Ux7*"
{ W3aXW,P. V
typedef T & reference; a?l_-Fi
} ; S]tkz*w0*
KgL<}=S
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: EOofa6f&l
-.^= Z!=M
template < typename T > /1H9z`qV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 4$qNcMdz
{ ,d3Q+9/
return l(t) = r(t); 54;l*}8Hl
} B?!9W@
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。 6MrZ6dz^
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ttTI#Fr2
C8!8u?k
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 Dg1kbO=2
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: p3{x <AO/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 #IH<HL)t%e
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 dw'<" +zO
最后的布局是: +.XZK3
Add BYkVg2D(
/ \ 6@*5!,
Divide 5 L?AM&w-cg9
/ \ &?}kL=
h
_1 3 "u .)X3
似乎一切都解决了?不。 K'a#M g
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。 pE$|2v
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。 uEc0/a :.
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: ]J8KCjq@
2V#c[%vI
template < typename Right > D|u^8\'.
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const } IIK~d,
Right & rt) const H5 p}Le
{ 3ybK6!g`[
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); JUe K"|fA
} 94Kuy@0:+
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 /k4^&
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。 $.suu^>^w
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。 (M+,wW[6
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。 HPu/. oE
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。 CVyx lc>
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? Bt|9%o06l
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:
?.4yg(
F[o+p|nF
template < class Action > U.zRIhA]
class picker : public Action XvfcPI6
{ bQ|#_/?
public : j?d;xj
picker( const Action & act) : Action(act) {} D:ql^{~
// all the operator overloaded X~IRpzC
} ; IS5.i95m
P%<aGb4
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。 $ uz1
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: oP43 NN~
4U LJtM3
template < typename Right > !:g>CDA
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const f<s'prF
{ UL@5*uiX
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8IT_mjj
} H(5ui`' s
b Q9"GO<X
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ,,wyydG
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。 Fb\2df{@
w7`@=kVx
template < typename T > struct picker_maker '^.=gTk
{ om*tdG
typedef picker < constant_t < T > > result; %xbz&'W,
} ; B4*X0x
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > KH@) +Rj
{ gqHH Hh
typedef picker < T > result; A
Eyr_!G,
} ; ,G!_ SZ
LF-+5`
下面总的结构就有了: v&CO#vK5.
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。 T0np<l]A
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。 43orR !.Z
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 v^lm8/}NO
至此链式操作完美实现。 OL mBh3&
1 [~|
Cn./N aq
七. 问题3 9>$%F;JP44
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 3/SqXu
8 *(W |J
template < typename T1, typename T2 > ETH#IM8J
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const J1y2Qw$G
{ Velbq
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); b09#+CH?
} yQA"T?
-WHwz m
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: FDGKMGZ
Dk{nOvZu<
template < typename T1, typename T2 > ['N#aDh.?
struct result_2 XGrxzO|{
{ C>K"ZJ
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; B=RKi\K6a
} ; u!EulAl
kp
&XX|
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? 8KdcLN@
这个差事就留给了holder自己。 [ Xo
J7
7[?}kG
$,@ rKRY
template < int Order > ~zOU/8n
,F
class holder; Rx"VscB6z
template <> Y8CYkJTAD-
class holder < 1 > ()IgSj?,
{ 1.OXkgh
public : RV @(&