一. 什么是Lambda p6*a1^lU6
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 h?3l
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, I@Z*Nu1L
np\2sa`
*M<BPxh0w]
Dh(T)yc
class filler !riMIl1
{ f\_!N
"HW
public : [j]J_S9jJ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ec4%Wk2
} ; ]!G>8Rc
<` j[;>O
2vdQ&H4
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: *a,.E6C*
|4> r"
= #2qX>?
^}/
E~Sg7\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); W$Q)aA7
,9tbu!Pvq
%_R|@cyD
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ^Xy$is3
<C"N X
,x"yZ
QC5f:BwM
二. 战前分析 ^Z4q1i)JO
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。 %^?3s5PXD
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 uj9tr`Zh
P,;b'-5C
%>9+1lUhV
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); +bc#GzVF
/* --------------------------------------------- */ !QR?\9`
vector < int *> vp( 10 ); a$zm/
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 3^R] [;
/* --------------------------------------------- */ nR@,ouB-$
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); +>:_kE]?nX
/* --------------------------------------------- */ $K.%un Gm
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); m7wc)"`t
/* --------------------------------------------- */ ?WQd
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 'Rkvsch
/* --------------------------------------------- */ r;on0wm&B
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); .1}rzh}8
]AZ\5C-J
M`+e'vdw
!P60[*>
看了之后,我们可以思考一些问题: _E1]cbIo
1._1, _2是什么? N~S[xS?
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 0I>?_?~l6
2._1 = 1是在做什么? SeNF!k% Y
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 .W@4vrp@
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 K[LVT]3 n
q"LJwV}W
y }&4HrT&
三. 动工 <% 7P
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: }y-;>i#m=g
^0x.'G?
bg1"v a#2
1;Wkt9]9
template < typename T > ()nKug`.@
class assignment j*H;a ?Y
{ \5_P5q:`
T value; h%1~v$W`
public : FJd8s*
assignment( const T & v) : value(v) {} A|taP$%
template < typename T2 > {GQ
Aa
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 8>VI$
} ; [Zt#
c C+
>^H'ZYzw
Cwsoz
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Ck3QrfM
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ?zhI=1ED%
3Zaq#uA
Z(LxB$^l[
dI_r:xN
class holder W7TXI~7
{ $h,&b<-
public : }c35FM,
template < typename T > 8!uL-_ Bn
assignment < T > operator = ( const T & t) const T@Ss&eGT2
{ VA=#0w
return assignment < T > (t); M2;%1^
} S_|9j{w)
} ; 2;%#C!TG;
q?;*g@t
4/HY[FT
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: |6sT,/6
%
UW=:
static holder _1; A#Q0{z@H
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Ox7uG{t$#
--
i&"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Q/QQ:t<XUi
而不用手动写一个函数对象。 q ab)
1ft
VBbUl|X\
)BF \!sTn
u>,lf\Fgz
四. 问题分析 XN~#gm#
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。 e0v9uQ%F5
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。 dysX
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 nW$A^
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Z]x5!
下面我们可以对这几个问题进行分析。 :kME
FE8+E\ U?
五. 问题1:一致性 ){O1&|z-
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?| HUU >hq9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 qPXANx<^
zdLVxL>87
struct holder I;kf
#nvao
{ ub`z7gL
// .8T\Nr\~2
template < typename T > k_*XJ <S!Y
T & operator ()( const T & r) const CF3E]dt
{ ~@[(N]=q
return (T & )r; '?{0z!!
} /,1SE(
} ; LKR= =;qn
"xD}6(NL(r
这样的话assignment也必须相应改动: DL'd&;6
|`_ <@b
template < typename Left, typename Right > i(M(OR/4
class assignment H_%d3 RI
{ [<D+pqh
Left l; $:f.Krj
Right r; tk`: CT
*
public : 84[|qB,ML
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }iPo8Ra
template < typename T2 > PoYr:=S?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } QO5OnYh
} ; ; @7
eZ!yPdgy|
同时,holder的operator=也需要改动: f![xn2T
y!7B,
template < typename T > ZhGh{D[,
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Nl~Z,hT$*
{ U/.w;DI
return assignment < holder, T > ( * this , t); !: m`9o8
} :0M'=~[
Ff[H>Lp~
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。 u{g]gA8s
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 :FoOQ[Q
<WM -@J(1
return l(rhs) = r; x9xzm5
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。 DgDSVFk
~
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 2-8YSHlh
.HyjL5r-
template < typename Tp > }Q`/K;yq
class constant_t pGY [f@_x-
{ Y[f,ia
const Tp t; b%3Q$wIJ6
public : W:`5nj]H9
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 6b%`^B\
template < typename T > l*QIoRYFW
const Tp & operator ()( const T & r) const - waX#UT=
{ tW:W&|q
return t; xh{mca>?G
} aN>U. SB
} ; $|Q".dD
S#P+B*v
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ^Lsc`<xC
下面就可以修改holder的operator=了 ~J%R-{U9
L&:M8xiA~$
template < typename T > |2qR^Hd&5
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const &\&'L|0F
{ GMEw
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); U^B"|lc:[
} hbVE;
9
|)^clkuGX
同时也要修改assignment的operator() :L]-'\y
w|&,I4["
template < typename T2 > :0B
|<~lX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } |$M@09,F"
现在代码看起来就很一致了。 !-KCFMvT
HvAE,0N
六. 问题2:链式操作 2y^Uk,g
现在让我们来看看如何处理链式操作。 H9sZR>(^
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。 $b4*/vMr
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 cE^kpnVq|<
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 :[L{KFQU
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ~@xT]D!BQ
S2Zx &D/_
template < typename T > U%Dit
struct result_1 j -#E?&2
{ vZ:G8K)o(
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; w-J"zC
} ; : @s8?eg
+:}kZDl@ X
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为:
T:c7@^=
YQN.Ohtv*F
template < typename T > Z#CxQ D%\
struct ref 3b#L17D3_
{ /d[Mss
typedef T & reference; 7`Qde!+C
} ; >+L7k^[,0
template < typename T > K-Re"zsz
struct ref < T &> (viWY
{ =ntftSH
typedef T & reference; KCE=|*6::|
} ; 5n:nZ_D
!zU/Hq{wcK
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: xf'LR[M
_jW>dU^B
template < typename T > 9p5= _
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const yGRR8F5>(
{ M/*Bh,M`
return l(t) = r(t); :*=Ns[Y
} iM8sX
B
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Hyf"iYv+
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3be6p
RZ*<n$#6
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 # ?_#!T|
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 2v4W6R
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 V)=Z6 ti
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 )W#T2Z>N1
最后的布局是: Xj%,xm>}!u
Add 5Wo5n7o
/ \ YDW|-HIF
Divide 5 g#w`J\iz
/ \ s}s|~
_1 3 k<!<<,Z
似乎一切都解决了?不。 (9E( Q*J5x
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。 / HL_$g<
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 nMkOUW:T!
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 7vw;Egd@@-
~)_K"h.DY
template < typename Right > 2.ew^D#
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ^1R"7h
Right & rt) const 3+e4e
{ 5PDSA*
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); sp^Wo7&g
} -ovoRI^6`}
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ea2 `q
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 p:Oz<P
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 -'j7SOGk
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 eap8*ONl
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 N0nj`
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? "$r1$mBi
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: @$oZ|ZkZ
0iF -}o
template < class Action > @'
d6iYk_
class picker : public Action "sD1T3!\)Q
{ w=|py>%
public : wE?CvL
picker( const Action & act) : Action(act) {} 7N|
AA^I
// all the operator overloaded cu)U7
} ; -A}zJBcR
Vu%n&uF
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。 YKY2Cw
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: rmsQt
&f"T,4Oh
template < typename Right > 7|Xe&o<n
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const L1:nfH&:'
{ b;*c:{W)
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); EZ/^nG
} 07FT)QTE
fCg@FHS&^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > St+ "ih%
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。 :G#KB'
?,>5[Ha^?
template < typename T > struct picker_maker 8TW5(fl
{ "oe!M'aj`1
typedef picker < constant_t < T > > result; GB=bG%Tb
} ; bJwc1AJgH
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > `0rRKlb j4
{ (n,N8k;
typedef picker < T > result; AX;c}0g
} ; '$?du~L-
'AWp6L @
下面总的结构就有了: eIJ[0c b}
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。 |kc@L`7s
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。 Wxn#Rk#>
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 6A?8tm/0
至此链式操作完美实现。 $it@>L8
lov%V*tL
x9&p!&*&IT
七. 问题3 >azEed<B
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。 xG1?F_]
I|T7+{5z
template < typename T1, typename T2 > l!:^6i
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const lm*g Gy1i
{ n[P\*S
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 0<Q*7aY
} z&F5mp@
)b0];&hw]
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: 7h`^N5H.q
H99xZxHZ{
template < typename T1, typename T2 > nA+F
struct result_2 F,&