一. 什么是Lambda 2.6F5&:($
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 GxFmw:
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, -FxE!K
JZc"4qf@OT
R:[IH2F s
KUR9vo
class filler -c_}^j
{ xzI?'?duC
public : klUW_d-
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} _T8o]
} ; ZSs)AB_Pe/
/8$*{ay
?WD JWp%
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: =r?#,'a
W.|r=
p
K=
zJxO\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); T?!D?YV
|mHxkd
X3# AYn,
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 G/y@`A)
Y\Grf$e
-n>JlfCd2
jE.yT(+lW
二. 战前分析 q>n0'`q
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。 EKr#i}(x<
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 FF} A_ZFY
j1Ng[
\H6[6*JuB
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); CLn}BxgD
/* --------------------------------------------- */ K0YUN^St
vector < int *> vp( 10 ); @0v%5@
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); $>Mqo
/* --------------------------------------------- */ 7UV hyrl
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); #<4/ * < 5
/* --------------------------------------------- */ GM{J3O=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); FxK2 1
/* --------------------------------------------- */ S8S<>W
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ,xhB
/* --------------------------------------------- */ zfexaf!
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1);
AhNy+p{
C=y[WsT
'K8emt$d+
C{5^UCJkg
看了之后,我们可以思考一些问题: |1rKGDc
1._1, _2是什么? q%rfKHMA50
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。 K]bw1KK
2._1 = 1是在做什么? S2!$
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。 0r |mg::'
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。 0/g 0=dW=
)"]Nf6
p,cw-lN
三. 动工 Wwf],Ya
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类:
Qr n^T
hU]Gv)B
<dd(i
@y+Hb@ >.
template < typename T > qh]ILE87(
class assignment i^O(JC
{ rNl`w.
T value; 83|7#L
public : P p]Ygt'u
assignment( const T & v) : value(v) {} ;DG&HO
template < typename T2 > 4/Wqeq,E8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } W/?\ 8AE
} ; L'KgB=5K&i
CnvM>]
@71n{9
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 uy
t'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment [=otgVteN"
|Nfi y
U`-]U2"
qFpRY7eq
class holder jQ 'r};;
{ >U2[]fu
public : :VB{@ED
template < typename T > tt%lDr1A)
assignment < T > operator = ( const T & t) const r\x"nS
{ `'gadCTb=
return assignment < T > (t); 4?vTuZ/
M
} hG8!aJo
} ; 2b` 3"S
+)cjW"9
Gfbeh %
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: AfV
a[{E
Pv>W`/*_,s
static holder _1; $QbaPmHW
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 zdh&,!] F6
AD=qB5:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 );
HuCzXl
而不用手动写一个函数对象。 VD).UdUn
DNu^4#r
`1Cg)\&[e0
yM}Wg~:D:
四. 问题分析 u6pfc'GG g
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ]'%Z&1 w
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 iFi6,V*PRt
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 2X@|H
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Q^_*&},V
下面我们可以对这几个问题进行分析。 -*QxZiKD
o;#9$j7QP!
五. 问题1:一致性 4,yS7l
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?| lls-Nir%
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 P*\h)F/3}t
H`XE5Hk)P%
struct holder
^kElb;d
{ YgFmJ.1
// \]a@ NBv
template < typename T > bV~z}V&
T & operator ()( const T & r) const MeSF,*lP
{ %xH2jf
return (T & )r; xKZLXQ'e-
} gFx2\QV
} ; ;YYo^9Lh}
'%}k"&t$i
这样的话assignment也必须相应改动: nJ]oApb/-
(
\ \BsK
template < typename Left, typename Right > FU~xKNr
class assignment &.ENcEic
{ aSy^(WN8
Left l; wk'12r6=(-
Right r; K:osfd
public : ;]/emw=a
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {}
GW[g!66^
template < typename T2 > t[yu3U
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } f=f8)+5
} ; pm.Zc'23
x?*)
同时,holder的operator=也需要改动: *nj={Ss&
VPAi[<FzOG
template < typename T > z3\WcW7|
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const <x^Ab#K"
{ ,
Ac
gsC
return assignment < holder, T > ( * this , t); )nI}K QJ<
} Qel2OI `b
+5>*$L%8T`
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。 1%R8q=_
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 n&4 4Acs[
*T+Bjj;w
return l(rhs) = r; ^Qx
qv
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。 ."u-5r<O
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: {4%B^+}T
VXM5
B
template < typename Tp > )rqb<O
class constant_t bu
j}pEI
{ 9MI~yIt`L
const Tp t; 4=T.rVS[
public : g<@P_^vo
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ^5:xSQ@:
template < typename T > 2Gw2k8g&
const Tp & operator ()( const T & r) const VD,p<u{r
{ ry2ZVIFa
return t; G1vg2'A
} FM80F_G^z
} ; )$.::[pNA
.d4L@{V
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 9;L5#/E
下面就可以修改holder的operator=了 fs:%L
,/XeG`vk
template < typename T > s\CZ os&
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const A$H;2T5N
{ 5\?\|* WT
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); h}T+M BA%
} ;AjY-w
D<DSK~
同时也要修改assignment的operator() ^~iFG+g5
tz).] E
D
template < typename T2 > 8c6dTT4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } qir/Sa'[
现在代码看起来就很一致了。 4IT`8n~
OrZ =-9"
六. 问题2:链式操作 0G=bu5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 uaX#nn?ws
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。 ^uDNArDmj5
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。 OIqisQ7ZB
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。 CXe2G5
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct C`++r>
_gGI&0(VM
template < typename T > gq'}LcV
struct result_1 ;VLv2J*
{ e\[z Q
2Z3
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; E/OJ}3Rf
} ; -$;
h+9BO
b,k%n_&n
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: %/K'VE6pb
C,;hNg[
template < typename T > iK(G t6w
struct ref $wQkTx
{ >\/H2j
typedef T & reference; s%{8$>8V.
} ; "RkbT O
template < typename T > HkP')= sa
struct ref < T &> ib3u:
{ CSA.6uIT
typedef T & reference; C0eqCu)Q
} ; YV6@SXy
"<e<0::
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: E!,+#%O>
B5nzkJV<X
template < typename T > qG=>eRR
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 9L"Z
~CUL
{ #)qn$&.H
return l(t) = r(t); *b$8O
} (Ov{gj^
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。 gG 9e.++:
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 /YyimG7
_D{V(c<WD
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 \BoRYb9h
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: M<A jtDF%
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;T9u$4<
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 tR!!Q
最后的布局是: |<Cz#|
,q
Add 3k#?E]'
/ \ ae&i]K;
Divide 5 TIs~?wb$
/ \ TpHvZ]c
_1 3 DaA9fJ7a
似乎一切都解决了?不。 yR`X3.:*]
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。 9L`5r$/
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 !vaS fL*]
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: p}b:(QN~m
015
;'V#we
template < typename Right > dTE(+M-
Gr
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const \o&\r)FX
Right & rt) const c7E|GZ2Hc
{ z
?3G`
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); P
-O& X
} Y]u6f c
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 TL29{'4V
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 +*O$]Hh
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。 >nqDUGnEo>
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。 v>p UVM
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。 U#u=9%'
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? *an^
0
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: L,(H(GeX
<wIz8V
template < class Action > x)wlp{rLf
class picker : public Action ~ x!"(
{ y@T0
jI
public : lj U|9|v
picker( const Action & act) : Action(act) {} Gr&)5hm$
// all the operator overloaded b3h3$kIYN
} ; p4Wy2.&Q
8)NQt$lWp
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。 lBYc(cr
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: feSj3,<!
\V1geSoE
template < typename Right > &D/@H1fBe
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Z4"SKsJT/>
{ DE $HF*WY
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _#jR6g TY
} Dc2U+U(J
o \#C#NiT
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 75^U<Hz-3{
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 9{A[n}
^|P/D
template < typename T > struct picker_maker -$x5[6bN
{ prdlV)LTpY
typedef picker < constant_t < T > > result; ]]EOCGZ"
} ; $=IJ-_'o
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > F*0rpQ,*
{ 3eg)O34
typedef picker < T > result; Wubvvm8U
} ; "-WEUz
Bb~Q]V=x;
下面总的结构就有了: 4YT d
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ; qQ* p
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ^#V7\;v$G
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 JKXb$
至此链式操作完美实现。 ~!PaBS3A
eB]R<a60
=k{ n! e
七. 问题3 Ai~j
q
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。 M9t`w-@_w
::lD7@Wg
template < typename T1, typename T2 > w@jC#E\
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const J%:D%=9 )
{ UhI T!x
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2);
@_ZE_n
} , sOdc!![
;b-d2R
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: 0-=PP@W
"u H VX|`
template < typename T1, typename T2 > :/.SrkN(A7
struct result_2 ~8j4IO(
{ .#4;em%7
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 'a^'f]"
} ; FxkxV GZ"
6>hW.aq}
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? JM&:dzyIP
这个差事就留给了holder自己。 CY4ntd4M
$ YPU(y
HQ7
template < int Order > /}ADV2sF
class holder; A_ftf7,
template <> -(Z%?]+
class holder < 1 > T1([P!g*
{ /Cl=;^)
public : Gy3t
template < typename T > d~>d\K%v
struct result_1 ,WA[HwY-
{ hd'JXKMy
typedef T & result; WlF}R\N!
} ; T\
cJn>kCn
template < typename T1, typename T2 > -!ARVf *
struct result_2 Q&@~<!t
{ ^&Re-{ES]
typedef T1 & result; "UVqHW1%K
} ;
g%.;ZlK
template < typename T > egd%,`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const hE9UWa.Q>
{ iVQ)hsW/
return (T & )r; *=KX0%3
} G|LJOq7QB
template < typename T1, typename T2 > hk7kg/"
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const s4&JBm(33N
{ E[nJ'h<h
return (T1 & )r1; gE}+`w/X
} `nvm>u~[Hq
} ; &y~~Z [.F,
&l