一. 什么是Lambda ?jBna
~
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 d;(L@9HHD
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, Hi9 ;i/
PS@`
=Z
|]]Xee]
a)[XJLCQ
class filler EZc!QrY
{ p/'C
v
public : 6lq7zi}'w
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} zie])_8|h
} ; >OwVNG
ID5?x8o#k
HH2*12e
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: >wM%|j'
SA{A E9y
ZsUxO%jP
Cfb/f]*M
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); zpIl'/i
vBQ5-00YY=
2,;+)
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 +*d,non6v
p H?VM&x
?Gj$$IAe
3b{8c8N^
二. 战前分析 &H,j
.~a&l
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。 As1Er[>
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 aM3%Mx?w
)AqM?FE4R
OtF{=7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); VE6T&fz`
/* --------------------------------------------- */ yK0Q,
vector < int *> vp( 10 ); EUe2<G
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); D_9&=aa'
/* --------------------------------------------- */ =6j
5,
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 3.Qf^p
/* --------------------------------------------- */ ~7b'4\
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); }`Q'!_`
/* --------------------------------------------- */ d^Ra1@0"q2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); o~gduNG#
/* --------------------------------------------- */ rr*",a"}m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); r['T.yo
0d:t$2~C
ay'=M`uO_
)Bl% {C
看了之后,我们可以思考一些问题: (Y'rEc#H&z
1._1, _2是什么? ph30 /*8
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 l`gRw4/$
2._1 = 1是在做什么? #'^p-Jdm
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。 IL}pVa00{n
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。 /,/T{V[
A`=ESz
27E6S)zv
三. 动工 +fAAkO*GP
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: .
%tc7`k8
u-pE
;|
A86#7
|>A1J:
template < typename T > ?;|$R
class assignment s:R>uGYOd
{ v.cB3/$z
T value; Nb#E+\q
public : t\{q,4
assignment( const T & v) : value(v) {} GfJm&'U&
template < typename T2 > 0X0HDQ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &EXql']
} ; WaN0$66[:
8:$kFy\A'
6}x^T)R
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 `wB(J%w
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment sryujb.,
0UWLs_k:
5xLuu KG
_myam3[W
class holder !;'U5[}8
{ EZIMp8^
public : jLD=EJ
template < typename T > {NKDmeg:D
assignment < T > operator = ( const T & t) const y= cBpC
{ [_L:.,]g8
return assignment < T > (t); ?_m;~>C
} 0OEyJ|g
} ; )`-9WCd&
O<iE,PN)
r&1N8o
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: e@Z(z^V
AvEJX0"\df
static holder _1; JF%+T yMe
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 u~1[nH:
g}$]K!F
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !z(POK
而不用手动写一个函数对象。 bW3e*O$V
q'3=
*FK!^Y
4rwfY<G
四. 问题分析 @ L% 3}
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。
Cg}cD.
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。 /Kwo^Q{
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 &UbNp8h
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 exTpy
下面我们可以对这几个问题进行分析。 eO(VSjo'`
1U@qRU
五. 问题1:一致性 + To{Tm-
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?| Z\(+awv
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 cpgHF`nt
~6kEpa
struct holder {G%`K,T
{ T"in
// -g;iMqh#
template < typename T > -7'>Rw
T & operator ()( const T & r) const JT[|l-\zo
{ '<>pz<c
return (T & )r; ,U],Wu)
} 9d#-;qV
} ; HR\yJt
*vCJTz
这样的话assignment也必须相应改动: E:&=A 4%
.FqbX5\p,
template < typename Left, typename Right > iW-w?!>|m
class assignment 2[r#y1ro
{ }4#%0x`w
Left l; 1W$ @ V!
Right r; @,i:fY
public : MHI0>QsI
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ~BrERUk
template < typename T2 > >e=tem~/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 6Nj\N oS
} ; 6n
UXDd8OJL
同时,holder的operator=也需要改动: p8%x@%k
FGzB7w#
template < typename T > $MfHA~^
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ojT TYR{
{ ~U~KUL|
return assignment < holder, T > ( * this , t); rzLpVpTaz
} ^7Z)/c`"
jU@qQ@|
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。 $ze%!C
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 -PBm@}*
,m8l
/wG
return l(rhs) = r; xs.>+(@|;
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 B r`Xw^S
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: &h`s:Y
[Sg1\UTl
template < typename Tp > &Jk0SUk MP
class constant_t 8JJqEkQ
{ s34{\/'D+
const Tp t; Gi6sl_"q
public : h-<('w:A
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 5^ARC^v
template < typename T > / /3iai
const Tp & operator ()( const T & r) const FU;Tv).
{ wta\C{{
return t; M//q7SHh
} -3_-n*k!
} ; )0j^Fq5[+
rs]%`"&=
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 g&`e2|[7
下面就可以修改holder的operator=了 #[qmhU{s
=n
cu#T]
template < typename T > !L2R0Y:a
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const L1VUfEG-
{ Ha[Bf*
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); d2Z5HFtY
} Y]Vt&*{JV
PL@hsZty~c
同时也要修改assignment的operator() vCb3Ra~L`
)%- FnW
template < typename T2 > =XzrmPu
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } \v)Dy)Vhg2
现在代码看起来就很一致了。 QpBgG~h"
:p;!\4)u
六. 问题2:链式操作 Ew*_@hVC
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Oq7M1|{
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 "4<RMYQ
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Qo4]_,kR
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 kl?U2A.=
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct re2M!m6k5
4`I2tr
template < typename T > S*Qip,u
struct result_1 %\6|fKB4<
{ :rk=(=@8`
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; fINF;TK
} ; 3%bCv_6B
)M<"YI)g
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: -+Axa[,5=
g
j8rrd|
template < typename T > ?T3zA2
struct ref ^ r-F@$:.
{ 8`v+yHjG
typedef T & reference; !trt]?*-
} ; ^HgQ"dD
<
template < typename T > <1YINkRz
struct ref < T &> :1^
R$0d
{ $A;jl`ng
typedef T & reference; r{!]`
'8
} ; 3k.{gAZKh
Nj$3Ig"l
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: qjFz}6
,)TtI~6Q
template < typename T > x_pS(O(C
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const I<`K;El'
{ P^&%T?Y6z
return l(t) = r(t); .vE=527g)
} ^I4'7]n-
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 #` Q3Z}C
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ;IZ*o<_
VgD z:j
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 Y,w'Op
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ##+|zka!U
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ELf cZfJ
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 8n+&tBq1
最后的布局是: L.ScC
Add b`){f\#t
/ \ ajC'C!"^Ty
Divide 5
Yz(k4K
L
/ \
o=}}hE\H
_1 3 BgRfy2:
似乎一切都解决了?不。 2~dUnskyy
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 {; #u~e(W
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 H=Scrvfx
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: }{T9`^V:h
%sxLxx_x!
template < typename Right > 7r;7'X5
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Dk8
O*B
Right & rt) const W; yNg
{ Yv<'QC
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ]L+YnZ?6
} PP)iw@9j
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 QK% Nt
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 5$f
vI#NO<
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。 Uc%n{
a-a
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。 ,5!&}
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。 eRU0gvgLu"
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? zx` %)r
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: %J(y2 }
l r80RL'_
template < class Action > .1n=&d|
class picker : public Action 701a%Jq_2
{ 8X Jg
public : ).U\,@[A{
picker( const Action & act) : Action(act) {} ^j]"!:h
// all the operator overloaded Geyy!sr``
} ; g_X-.3=2K
[.J&@96,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。 `_%UK=m
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: _gU:!:}
8Na.H::cZ
template < typename Right > !%MI9Ok
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const V`P8oIOh]
{ ]Z\Z_t
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); DJ_[{WAV
} wcr3ugvT
b-?wJSf|
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > eS#kDa/ %
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。 5Ku=Xzvq
x}\x3U
template < typename T > struct picker_maker O[}{$NXw
{ zs/4tNXw
typedef picker < constant_t < T > > result; U*sjv6*T
} ; w`BY>Xft0
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > )/HbmtX qI
{ KLb"_1z
typedef picker < T > result; MWdev.m:Z
} ; +85#`{ D
Nq]8p =e
下面总的结构就有了: o;'E("!<Z
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 CD^C}MB
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 YcQ$nZAU
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 \^o8qw'pt
至此链式操作完美实现。 LR:PSgy
bn7"!6
9NF2a)&~
七. 问题3 >+,w2m@0
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。 uqz HS>GM
?'_Ty`vT
template < typename T1, typename T2 > Cws;6i*=@
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const gB7kb$J
{ BF^dNgn+%K
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); MzEeDN
} m(>MP/
UY>[
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: ^}SP,lg'
JJ:p A_uX
template < typename T1, typename T2 > SjosbdD
struct result_2 rX7GVg@H
{ 5D]3I=kj
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ak,KHA6u
} ; ^aG$9N<\
e
p jb
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 7e NLs
这个差事就留给了holder自己。 n[S-bzU^t
\;XDPC j
./]xn
template < int Order > Q};n%&n&
class holder; &9Y ^/W
template <> <`$svM
class holder < 1 > BiY-u/bH9a
{ dU}Cb?]7s
public : m+UWvUB)
template < typename T > Sp7VH+
struct result_1 R$XHjb)
{ WC Tmf8f
typedef T & result; e{Q;,jsh
} ; O2pntKI
template < typename T1, typename T2 > qt(+X
struct result_2 Hs:0j$
{ 1d$qr`
typedef T1 & result; t1JU_P
} ; ol0i^d*9F
template < typename T > ^ps6\>=0cW
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const &Fiesi!tET
{ 7vo8lnQ{
return (T & )r; 4,,DA2^!
} QdIx@[+WOq
template < typename T1, typename T2 > _sb~eB~<(
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const i:a*6b.U@N
{ zif&