一. 什么是Lambda ^n#6CW*n
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 M@@l>"g@
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, tqyR~
x5\C MWW
{J3;4p-&
Up?w>ly
class filler yVd}1bX
{ 9%aBW7@SK
public : b||
c^f
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 8Wx>,$k
} ; @,0W(
Wk w.z
*gMo(-tN
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ihjs%5Jo%
Gs]m; "o|
rvjPm5[t
^g/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); @q0\oG4L
cp.c$
u*:B 9E
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 @Bs7kjuX
A*tG[)
*'D(
j#&
iX4?5yz~<
二. 战前分析 S*,DX~vig
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。 ?K]Cs&E4
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 vAZc.=+ >
tow0/Jt
. 7WNd/WG
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); I6?n>
/* --------------------------------------------- */ j} ^?3<
vector < int *> vp( 10 ); 1FC'DH!
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); A/eZnsk
/* --------------------------------------------- */ 07pASZ;~
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ( <~
/* --------------------------------------------- */ *`.h8gTD,
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); fLM5L_S}Y
/* --------------------------------------------- */ :u$nH9kwv
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); n/$1&x1
/* --------------------------------------------- */ k=D_9_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &&Ruy(&]I
.}'49=c
t"[x x_i
t){})nZ/4
看了之后,我们可以思考一些问题: dqd:V$o
1._1, _2是什么? m$b5Vqq
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 8Mx+tA
2._1 = 1是在做什么? z0=(l?)#
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 9K~0:c
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 h/`]=kCl
=[]V$<G'w{
o@SL0H-6|
三. 动工 wuRB[KLe
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \@IEqm6
XL9smFq
@Z9X^Y+u^h
qPle=6U[IL
template < typename T > MR$R#
class assignment G i1Jl"
{ dw'&Av'
|E
T value; (C{l4
public : @~t^zI1
assignment( const T & v) : value(v) {} nymF`0HYe1
template < typename T2 > $7k"?M_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } -!_f-Nny
} ; qfJi[8".
./SDZ:5/
xi5G?r
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Da.eVU;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment U$zd3a_(
vTE3-v[i
=j,2
Y#aL]LxZE
class holder SZVNu*G!H
{ X/< zxM
public : Vf28R,~m
template < typename T > )\nKr;4MH
assignment < T > operator = ( const T & t) const c*>8VW>
{ 0j{Rsy
return assignment < T > (t); Kkfz a
} Ep>} S
} ; 2bu,_<K.
#bI,;]T
ZLP)i;Az
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: @4)NxdOE
Jd]kg,/
static holder _1; qr$h51C&
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 YK xkO
TH[xSg
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); E; `@S
而不用手动写一个函数对象。 %:/@1r7o>
xh6Yv%\@
r6WSX;K
azK7kM~
四. 问题分析 sej$$m R
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。 ?/@U#Qy
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。 G 6r2
"
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 RpmOg
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 _%R]TlL
下面我们可以对这几个问题进行分析。 \ 8v^ hb
G'#f*) f
五. 问题1:一致性 5>Kk>[|.
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?| ax)>rP,V
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 MpNgp)%>
0<3->uK
struct holder M)qb6aD0
{ twWzS
4;
// i)!2DXn
template < typename T > R:+cumHr
T & operator ()( const T & r) const Svicw`uX0
{ -~_[2u^3
return (T & )r; ,K WIuCU;
} 7oy}<9
} ; 7:C_{\(
6 l,8ev
这样的话assignment也必须相应改动: -I0J-~#
JGHQzC
template < typename Left, typename Right > Ndz'^c
class assignment saa3BuV 6
{ 5:yRFzhqd
Left l; #c%FpR4
Right r; v ^R:XdH
public : f1$'av
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} <9 dfbI)
template < typename T2 > YB}m1g`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } +RBX2$kB
} ; le|Rhs%Z%
goqm6L^Cu
同时,holder的operator=也需要改动: C~-.zQ$
?/}N
template < typename T > I7
= 4%)A
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const YD{Ppz
{ :.P{}\/
return assignment < holder, T > ( * this , t); @ogj -ol&
} }&LVD$Bz
R>D [I.
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 R wTzS;
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 <kCOg8<y
:
@P)2ZGG
return l(rhs) = r; Di"Tv<RlQ
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 "wR1=&gk
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: yz<$?Gblz
=5;tB
template < typename Tp > =E
w<s5C@
class constant_t Qv
WvS9]
{ ";U#aK1p
const Tp t; o-
v#Zl
public : X> T_Xc
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} `iNH`:[w
template < typename T > lyD=n
const Tp & operator ()( const T & r) const U#G<cV79
{ .% 79(r^
return t; ^WkqRs
} nB;[;dCz
} ; &+]-e;[
9e*o$)j_
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 m-2!r*(zt
下面就可以修改holder的operator=了 nX_w F`n"
%x-`Y[
template < typename T > dczq,evp
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 34,'smH i%
{ K!,9qH
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Yosfk\D
} \iRmGvT
G1a56TIN~
同时也要修改assignment的operator() <{T5}"e
pkf$%{"e
template < typename T2 > 2~l +2..
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } xOx=Z\ c
现在代码看起来就很一致了。 /Un\P
- -\eYVh[
六. 问题2:链式操作 t52KF#+>
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -EJj j {
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。 y(wb?86#W5
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。 _;,"!'R`f
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。 Iw4[D#o
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct T#\=v(_NR
BJt]k7ku+
template < typename T > S6<#] 6Z
struct result_1 pr[V*C/
{ JM7FVB
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; {DD #&B
} ; "%YVAaN
kX2Z@
w`
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: yAFt|<
;\(LovUy6
template < typename T > CofTTYl
struct ref 3a[ LM!
{ d`,z4_
typedef T & reference; l{gR6U{e
} ; Kk,u{EA
template < typename T > R7 rO7M!
struct ref < T &> 6:q,JB@i
{ vm7ag 7@O
typedef T & reference; Rk-G|52g
} ; zE Ly1v\"
EbeSl+iMx_
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: DX^8w?t
Xf[;^?]X
template < typename T > r PTfwhs
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const $Xh5N3
{ 0 ;].q*|#
return l(t) = r(t); <MKXFV
} !>N+a3
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 kC ALJRf~d
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 "=ki_1/P
QUm[7<"
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 J/QqwoR
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: j/jFS]iC
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 <J>k%,:B
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 kRr/x-"
最后的布局是: !ALq?u
Add O6,2M[a
/ \ _kc}:
Divide 5 [Op^l%BC
/ \ )5`~WzA
_1 3 4M!wm]n/%5
似乎一切都解决了?不。 uzI-1@`
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 XgyLlp;,O
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 *+k
yuY J
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: l_4^TYF
Cd]g+R}j
template < typename Right > :*/g~y(fE
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const B6j/"x6N15
Right & rt) const A9KPU:
{ Kf6D)B 26
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )W6l/
} E`.:V<KW/
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 K"[\)&WBG
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。 +tlBOl$
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。 Ljiw9*ZI
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。 >xA(*7
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。 ?LJiFG]^m
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? x+TdTe;p
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: da~_(giD*
M(yWE0 3
template < class Action > &^w"
class picker : public Action m?gGFxo
{ YS@TQ?
public : *Z\AO'h=Z
picker( const Action & act) : Action(act) {} 0_AIKJrL
// all the operator overloaded HRJ\H-
V
} ; #k1IrqUp
L]H'
]wpn=
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。 ~N/a\%`
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: *&I
_fAh]
>K&chg@Hv
template < typename Right > .'. bokl/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ?p/}eRgi
{ EM@EB<pRX
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); H!6+x*P0
} (sI`FW_
hT,rcIkg:
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > yJ`{\7Uqg
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。 y>:U&P^
`A5n6*A7
template < typename T > struct picker_maker CbXSJDs
{ [c -|`d^
typedef picker < constant_t < T > > result; s(ap~UCOw
} ; h6IO ;:P)
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 2.=G
{ >$yA
,N
typedef picker < T > result; $-|$4lrS
} ; {2QP6X sJ
[$uKI,l
下面总的结构就有了: k7{|\w%
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。 c<lEFk!g
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。 _mk@1ft
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 vC^{,?@
至此链式操作完美实现。 a\~118 !
yye5GVY$
p] N/]2rR
七. 问题3 ? HNuffk
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。 `>b,'u6F
0rQr#0`
template < typename T1, typename T2 > KX3A|
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const G;J)[y
{ ,L.V>Ae
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); y<wd~!>Ubu
} @ULWVS#t2
/2hRLyeAZ
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: Q&+)Kp]A
?RIf0;G
template < typename T1, typename T2 > h@'CmIZc
struct result_2 34[TM 3L].
{ *-(o. !#1
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Ycx}FYTY
} ; xtIF)M
#_`qbIOAj
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? eMdf[eS
这个差事就留给了holder自己。
hSXJDT2
K3UN#G)U
C@\5%~tW+
template < int Order > @$t\yBSK
class holder; GKOl{och
template <> &r*F+gL
class holder < 1 > ()w;~$J
{ `S5::U6E
public : Sv0?_3C
template < typename T > $.:x3TsA
struct result_1 }~NXiUe
{ ^nNpT!o
typedef T & result; AaoS &q
} ; |Ldvfd
template < typename T1, typename T2 > ^E Rdf2
struct result_2 KZ%us 6
{ (;^>G[
typedef T1 & result; GQJ4d-w
} ; hQ!59
template < typename T > jN'h/\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L,
#|W
{ '*&dP"
return (T & )r; ^c>Bh[
} ;"ESN)*|i
template < typename T1, typename T2 > ]NI
CQ9
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const <5
OUk
{ D`mr>-Y
return (T1 & )r1; 2"6qg>]-t
} ^W9O_5\g4a
} ; %;R&cSZ