一. 什么是Lambda klSA Y
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 2^4OaHY88
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, Rxk0^d:sNi
,@0D_&JAl
^~K[ bFbW
c!dc`R
class filler :FX|9h
{ 7j8Ou3
public : k`h#.B J
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} yNOoAnGT W
} ; 2C"[0*.[N
OS sYmF
eH^~r{{R
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: <Xl/U^B
=gQ^,x0R9
-)Of\4kx
a<CACWsN.T
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); XN}^:j_2
^wxpinJ>
2VaKt4+`
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ]'5 G/H5?;
Usq.'y/o
*=zv:!
7mtX/w9
二. 战前分析 "? ON0u9
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。 uS7kkzt-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 2sH1),\
6QAhVg: A
S pk8u4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 20cEE>
/* --------------------------------------------- */ ;"|QW?>$D
vector < int *> vp( 10 ); l;i/$Yu7
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); p> g[: ~
/* --------------------------------------------- */ aKz:hG
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); \gR%PN
/* --------------------------------------------- */ Mh~E]8b
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); odW K\e
/* --------------------------------------------- */ P7\?WN$p
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); .FC|~Z1T<F
/* --------------------------------------------- */ b)@rp
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); uF+0nv+
vKBijmE
3<HZ)w^B
4d\V=_);r
看了之后,我们可以思考一些问题: }/2M?W0
1._1, _2是什么? (9Q@I8}Iy
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 %"^8$A?>,k
2._1 = 1是在做什么? e%C_>
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。 $[\\{XJ.
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 nXw98;
L}6!D zl
oS^KC}X
三. 动工 F}?4h Dt
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: yt<h!k$ _P
!cW!zP-B*p
><I{R|bC
}:57Ym)7w
template < typename T > yMXf&$C
class assignment MUSsanCA
{ 0+e
T value; 'qJ0338d#U
public : Ub/ZzAwq
assignment( const T & v) : value(v) {} L~AU4Q0o
template < typename T2 > aK/fZ$Qc
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } |}b~YHTs
} ; aa"3
Io
me@)kQ8M
qA"BoSw 4
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 DLuaM?7
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment G.`},c;A-
`x_}mdR
t
YxN^VqU
=#=}|Q}
class holder QiK-|hFj
{ b~r:<:;
public : @JGFG+J}
template < typename T > vn!5@""T
assignment < T > operator = ( const T & t) const ]|tR8`DGZ%
{ 4}s'xMT!
return assignment < T > (t); &>&6OV]P'
} KA{&NFx
} ; `!$6F:d_l
zc$}4o
fp*6Dv_
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: n}t9Nf_
>]8(3&zd
static holder _1; 6~Dyr82"B
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 8&M<?oe
V:>r6
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?|98Y"w
而不用手动写一个函数对象。 +Gg|BTTL/
7e\Jg/FU
r-go921
1y\bJ
四. 问题分析 g?Tev^D
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。 W@ &a
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。 ,SidY\FzH
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 H(gY=
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 I;-Y2*
下面我们可以对这几个问题进行分析。 oyr b.lu/
Q4_r) &np
五. 问题1:一致性 o$eCd{HuX
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?| ;mT}Q;F#
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 q/@+.q
$}{[_2
struct holder Vjs'|%P7
{ n~]"sTC}&
// &bz% @p;
template < typename T > }I-nT!D'y
T & operator ()( const T & r) const 3}!u8,P
{ "w%:5~u9
return (T & )r; !#:5^":;
} `g3AM%3
} ; #-@Uq6Y
DH%PkGn
这样的话assignment也必须相应改动: \8=)X} )
`FQ]ad Fz
template < typename Left, typename Right > >~nr,V.q
class assignment yvj /u
c
{ <g%A2lI
Left l; Ln2FG4{
Right r; jLM([t
public : l)*(UZ"
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} |Q%P4S"B?
template < typename T2 > l cHf\~
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ZnRT$ l O
} ;
*Z^`H!&
A&)2m
同时,holder的operator=也需要改动: cM3B5Lp
Q"C*j'n
template < typename T > C1e@{>
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ]95VMyN
{ `BK b60
return assignment < holder, T > ( * this , t); "gJ.mhHX
} NIVR;gm
Ht4O5yl"
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。 IH dA2d?.]
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 IycZ\^5 *-
38D5vT)n
return l(rhs) = r; r'jUB^E
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。 &>C+5`bg
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: "WuUMt
mjWU0.
template < typename Tp > \Q(a`6U
class constant_t Fz';H
{ aqN{@|
const Tp t; \OtreYi
public : 'mbLK#q
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} hdCd:6
template < typename T > O*GF/ R8B
const Tp & operator ()( const T & r) const !IdVg $7
{ _wK.n.,S~
return t; On}1&!{1]
} &TBFt;
} ; xws{"m,NX~
/nQuM05*Z
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 6" * <0
下面就可以修改holder的operator=了 OQ hQ!6
T2S_>
#."l
template < typename T > PXYLLX\3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const sWte&
{ Z::I3 Q
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); O&BvWik
} fMg9h9U
dh7`eAMY
同时也要修改assignment的operator() tngB;9c+w
n}.e(z_"
template < typename T2 > Hs'~)T
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } nH?6o#]N
现在代码看起来就很一致了。 \hgd&H0UU
P0}{xq'k9v
六. 问题2:链式操作 =yZq]g6Q
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Zh;wQCDj
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 }W8A1-UF
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 TPJF?.le
'
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 9GH5
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 8#yu.\N.xt
yiQ ?p:DM
template < typename T > N'VTdf?
struct result_1 ?-<lIFFh
{ m%`YAD@2z
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; jeWv~JA%L|
} ; &|{1Ws
cl4z%qv*
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: aE5-b ub c
kZz'&xdv'.
template < typename T > {WrEe7dLy
struct ref I{cH$jt<
{ NUYKMo1ze
typedef T & reference; (Of6Ij?
} ; W+!UVUpW
template < typename T > o'$"MC+
struct ref < T &> 7j\^h2
{ HK/WO jr
typedef T & reference; 1v]%FC`
} ; 49Jnp>h
=0d|F
8
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: n8<?<-2
[[IMf-]
template < typename T > Pl/ dUt_
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const c EYHB1*cT
{ Gn8sB
return l(t) = r(t); _GG\SWm
} 9Vm1q!lE
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ][S q^5`
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 6XWNJb
y(Gn+
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ^7spXfSAd
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: /%& d:
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 dR]-R/1|
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 kP%hgZ
最后的布局是: UA8hYWRP
Add Q
84t=
/ \ (p%|F`
Divide 5 pz
/[${X
/ \ C K7([>2
_1 3 gQ{ #C'
似乎一切都解决了?不。 rpRyB9
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。 v;<gCzqQh
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。 5U~KYy^v
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: }CBQdH&g;
'|SO7}`;Q
template < typename Right > :Ph>\ aG
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const "V>}-G&
Right & rt) const %i9 e<.Ot
{ 1p.c6[9-
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); h+1|.d
} "sN%S's
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 $CE dJ+0z
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 cb9-~*1
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 ?.VKVTX^
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 4[$:KGh3
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。 M(I%y0
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? $K^l=X
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: #h[>RtP:
(I}owr 5:
template < class Action > eK:?~BI!
class picker : public Action >)ekb7
{ q~R8<G%YK
public : OS,!`8cw
picker( const Action & act) : Action(act) {} vdq=F|&
// all the operator overloaded \l:R]:w;ZI
} ; <==uK>pET
:'DyZy2Fd
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 {}YA7M:L
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: Da(k>vR@4
TRm#H$
template < typename Right > ZW [&7[4
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const d%8n
{ Nbpn"*L,
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); dBXiLrEbs
} G JRl{Y
S1|u@d'
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `yv?PlKL
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。 2PlhnU Q7
u8zL[]>
template < typename T > struct picker_maker ;l*%IMB
{ +\T8`iCFB
typedef picker < constant_t < T > > result; 3<^Up1CaZ
} ; xQFY/Z
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > { ^dq7!
{ U4!KO;Jc
typedef picker < T > result; dS6 $
} ; i&:SWH=
RTc@`m3 M
下面总的结构就有了: e v$:7}h=
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 be8T<F
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 C .S BJ
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 qf x*a88
至此链式操作完美实现。 PGP#$JC
0 %~~IT}U
_Xd"'cXw
七. 问题3 "A}sD7xy9
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。 lJdBUoO
qk<jvha
template < typename T1, typename T2 > EQ$k^Y8 "
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const sQ}|Lu9hZ
{ 7% D 4
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); f5V-;
} v])ew|
=5\*Zh1
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: >Q /;0>V
V$ H(a`!
template < typename T1, typename T2 > 'SFAJ
struct result_2 ,'s}g,L
{ ?62Im^1/
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; qLCNANWnd
} ; 9A"s7iJ)
v.(dOIrX
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? sE[`x^1'8
这个差事就留给了holder自己。 n2K1X!E$
d=vuy
G<7M;vRvP
template < int Order > 2f[;U"
class holder; WLl8oE<X
template <> M@xU59$@
class holder < 1 > d1cp=RbC
{ [Qnf]n\FJ
public : `q36`Wn
template < typename T > 'f<N7%eZ
struct result_1 s\;/U|P_
{ Tgz=I4g
typedef T & result; $2a"Ec!7
} ; tDRR 3=9pX
template < typename T1, typename T2 > KZ%i&w#<
struct result_2 $Lp [i
<O]
{ LI%dJ*-V
typedef T1 & result; t5+p]7
} ; Y1h)aQ5{
template < typename T > a?-&O$UHf\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 6k
t,q0
{ zFjz%:0
return (T & )r; ~q3O,bb{
} U823q-x
template < typename T1, typename T2 > M8~3 0L
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const #s{^fUN6
{ '{ _ X1
return (T1 & )r1; \\R}3 >Wc
} GeP={lj
} ; _f^6F<!
s`$}xukT
template <> &3t973=
class holder < 2 > H7Q$k4\l
{ D&):2F^9.
public : ?h[HC"V/2
template < typename T > {'M<dI$
struct result_1 -Rpra0o.
C
{ <