一. 什么是Lambda jQ1~B1(
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 z| i$eF;x3
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, hRtnO|Z6
L'z;*N3D
6EP5n
qA
Jgz7=c
class filler =DGaK0n
{ ]'DtuT?Z
public : 6aXsRhQ~
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ,R3D
} ; ,t(y~Z
wJ
rQ@,Y"
|o|0qG@g
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:.
3.
([`-*Hy
`"Tx%>E(U
3,S5>~R=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); `{ou4H\
\[+ZKj:
80c\O-{
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 i!ejK6Q
r]kLe2r:B
1!0BE8s"@
>c;qIP)Z
二. 战前分析 J$]d%p_I
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 71w
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 4}LGE>
ATPc~f
b6R0za
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .#lQZo6$\|
/* --------------------------------------------- */ \/S?.P#L~
vector < int *> vp( 10 ); Gk'J'9*
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ]C}z3hhk
/* --------------------------------------------- */ :X,1KR
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); g>T'R Vb
/* --------------------------------------------- */ [[LCEw
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); +w%MwPC7`
/* --------------------------------------------- */ ){L`hQ*=w
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); v|CRiwx
/* --------------------------------------------- */ J:M^oA'N:>
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); P_lk40X
f:=q=i
}V6}>!Sb
9iUkvnphh
看了之后,我们可以思考一些问题: qwiM.b5
1._1, _2是什么?
*:_xy{m\
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。 .' 3;Z'%"g
2._1 = 1是在做什么? pU<->d;->
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。 rnEWTk7&
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。 :M'3U g$t
y~]>J^
L#m1!+J
三. 动工 N r
uXXd
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: <+
>y GPp
j""u:l^+x
&AoXv`l4
. m@Sk`s
template < typename T > !sK{:6s
class assignment +'y$XR~W {
{ A
ElNf:
T value; .y#@~H($
public : p@YU7_sF^!
assignment( const T & v) : value(v) {} GwxfnCKi9
template < typename T2 > QVQe9{ "0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Ym2![FC1
} ; 3'
mQ=tKa
YDz:;Sp\
sj0Hv d9
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 AL3zE=BL
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment {[NBTT9&
pR; AqDQ
dl;^sn0s
G %Wjtrpj
class holder OqHD=D[
{ {6 C!^ 5
public : _LCK|H%v'
template < typename T > BQ2DQ7q
assignment < T > operator = ( const T & t) const -jFvDf,M,D
{ }9:d(B9;
return assignment < T > (t); G#
.z((Rj
} cQA;Y!Q#
} ; k`'^e/
.ie \3q)
Xj.6A,}^
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: qMmh2a&
yI)~- E.
static holder _1; OF2*zU7M
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 3K_J"B*7
Vj2]-]Cm
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); (wo.OH
而不用手动写一个函数对象。 |9@?8\
>#)^4-e
!QSL8v@c
Jx.Jx~
四. 问题分析 "tn]s>iAd=
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。 pbl;n|
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。 E&7U |$
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 l]uF!']f
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 s1?N&t8c
下面我们可以对这几个问题进行分析。 }c:s+P+/
[y W0U:m
五. 问题1:一致性 xbvZ7g^
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?| ?FA} ;?v
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 #JWW ;M6F
Nw/4z$].J
struct holder =NQDxt}
{ @9~6+BZOq
// .-awl1 W
template < typename T > Rr{mD#+
T & operator ()( const T & r) const 5N@k9x
{ F;kY5+a7~e
return (T & )r; NhU~'k
} h.l^f>,/
} ; [U5[;BNRD
|k\4\aLj
这样的话assignment也必须相应改动: _)"-zbh}{
SDwTGQ/0
template < typename Left, typename Right > ^KM' O8
class assignment wDVKp['
{ bC{}&a
Left l; >7V96jL$Y
Right r; ^Vso`(Ss
public : !KKkw4
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} lA<n}N)j
template < typename T2 > 07P/A^Mkx
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } {E@Fk,
} ; LP-~;
gFizw:l
同时,holder的operator=也需要改动: GL-v</2'U
:PE{2*
template < typename T > Qz=F
nR
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const
U*!q@g_
{ opU=49b
return assignment < holder, T > ( * this , t); |r>+\" X
} Fku~'30
Z-z^0QO
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。 (~q.YJ'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 * ?x$q/a
/99S<U2ej
return l(rhs) = r; YcOPqvQ
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 #.L9/b(
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: H=RzY-\a%
\@&oK2f
template < typename Tp > JZI)jIh
class constant_t 2[
=
=
{ DA]<30w
const Tp t; (VV5SvdE
public : 6
<XQ'tM]N
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} >Q3_-yY+
template < typename T > : fMQ,S0
const Tp & operator ()( const T & r) const DB%}@IW"
{ "jV:L
return t; <+Eu.K&
} C@d*t?
} ; !xk`oW
.8e]-^Z
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Oy
EOb>
下面就可以修改holder的operator=了 P1C{G'cR
/S2lA>
template < typename T > (KxI*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const C# zYZ JZ
{ )l?1dR:sP
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); QTr)r;Tro
} VaP9&tWXj
4PK/8^@7)>
同时也要修改assignment的operator() : N9,/-s
E+z),"QA
template < typename T2 > -[/tS<U
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } m';j#j)w
现在代码看起来就很一致了。 >x?x3 #SX
Hi%)TDfv
六. 问题2:链式操作 'F2g2W`
现在让我们来看看如何处理链式操作。 zUq ^
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 cD.afy
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ;QO3^P}
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 *$e1Bv6
$
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct X1*f#3cm#
!]f80z
template < typename T > 7[=\bL
struct result_1 =z>d GIT1
{ `vjn,2S}
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; )qSjI_qt5
} ; ]31>0yj[Q
%#t*3[
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: 9*~bAgkWI
I]GGmN
template < typename T > ^^,cnDlm
struct ref u00w'=pe)
{ Ic2Q<V}oq
typedef T & reference; /cHUqn30a
} ; :1asY:)vNP
template < typename T > B(|*u
struct ref < T &> r&%TKm^/
{ f$>KTb({B
typedef T & reference; M.FY4~
} ; /U$5'BoS
,3XlX(P
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 6v"WI@b4
68*a'0
template < typename T > gn//]|#H+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const =[JstiT?E
{ l XpbAW
return l(t) = r(t); uB=DC'lkg
} b~$8<\
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 |j}D2q=
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 b :WA}x V
k3(q!~a:.}
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 QmgO00{
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: h"0)g:\
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 P2Jo^WS
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 +Y?)?
最后的布局是: Ztl?*zL
Add s(Y2]X4
(
/ \ `cQAO1-5
Divide 5 }~NM\rm
/ \ CCHGd&\Z
_1 3 Nl]_Ie6
似乎一切都解决了?不。 aD^jlt
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 NufRd/q
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ="p,~ivrz
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: aT4I sPA?_
uG7?:) pxv
template < typename Right > vpq"mpfkh
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const p[Zk;AT~
Right & rt) const 3AcS$.G
{ Rp+Lu
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); bvW3[ V
} ,(i`gH{D
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 q2b>Z6!5
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。 8vkCmV
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。 s"UUo|hM
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。 ++sbSl)Q
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。 BT)PD9CN(
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? T mK[^
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: K
0e*K=UM
|.KB
template < class Action > |.z4 VJi4
class picker : public Action {uDH-b(R
{ }}qY,@eeX
public : |2E:]wT}qg
picker( const Action & act) : Action(act) {} kyi"U A82
// all the operator overloaded +iqzj-e&e[
} ; D&o~4Qvc]
J#IVu?B
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。 z6*r<>Bf+b
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: ^
Paf -/
Avww@$
template < typename Right > {SF'YbY
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ;Q8`5h
{ =pZ$oTR
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); X2|&\G9c
} (A )f
r4
NR,R.N^[
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > tkYPfUvTE
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 8d?%9# p-)
[Kg3:]2A
template < typename T > struct picker_maker URbHVPCPb
{ -FF#+Z$
typedef picker < constant_t < T > > result; Yl&bv#[z
} ; +B[XTn,Cru
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Q#F9&{'l
{ ce3``W/H3
typedef picker < T > result; ]eUD3WUe>q
} ; u9{SG^
s)jNP\-
下面总的结构就有了: `PZ\3SC'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。 *JRM(V+IEv
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。 jR9;<qT/
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 #kk5{*`
至此链式操作完美实现。 ]u^ybW"
O]Ey@7 &
JXV#V7
七. 问题3 $O&N
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。 9?q ^yy
nA(5p?D+YB
template < typename T1, typename T2 > l,6' S8=
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 1pK(tm
{ Q/@ pcU
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); #eF,* d
} e(?1`1
<*I*#WI&B
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: A{dqB
bk0<i*ju7(
template < typename T1, typename T2 > `z`=!1
struct result_2 `,O"^zR)z
{ %ikPz~(
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ~|[i64V<^
} ; ![!,i\x
nq,:UYNJ
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? R, #szTu
这个差事就留给了holder自己。 R|k:8v{V=
P v=]7>e
@EURp
template < int Order > Y[|9
+T
class holder; La28%10
template <> HWIn.ij
class holder < 1 > 'pyIMB?x
{ od$$g(
public : pHowioFx
template < typename T > Y3#8]Z_"}O
struct result_1 V["'eJA,,
{ -'}#j\
typedef T & result; ^F
qs,^~W
} ; #]QS
template < typename T1, typename T2 > Q8A+\LR~)
struct result_2 #F6<N]i
{ Ga+Cb2$
typedef T1 & result; sOVpDtZ]LR
} ; @#*{*
S8
template < typename T > i1X!G|Awfv
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L8f_^
*,
{ z}iz~WZ
return (T & )r; <>( v~a]
} vM-kk:n7f
template < typename T1, typename T2 > y<*\D_J
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const A8QUfg@uK~
{ [0 rH/{
return (T1 & )r1; O3?^P"C
} #S]O|$&*
} ; *%\Xw*\0
W6`_lGTj
template <> A~v[6*~>
class holder < 2 > &G[W$2`@
{ M?Fv'YE
public : Lp3pJE
template < typename T > MR: H3
struct result_1 )y6
{ }O+S}Hbwy
typedef T & result; Q"Exmn3p
} ; <pXOE-G5
template < typename T1, typename T2 > 1;+77<