一. 什么是Lambda ov.7FZ+
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 }J$Q
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, 5B)Z@-x2
I@76ABu^
zc%#7"FM
&W)Lzpx8c
class filler 96x0'IsaG
{ apPn>\O
public : [Dni>2@0
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} u2,V34b-
} ;
Gqvj
}%Dsy2:y
BuII|j
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]L|&{
`Hld#+R
;& ny< gQ
of!Bz
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); SO^:6GuJ
o*& D;
H48`z'o
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 :f<3`x'
]U.1z
Au(zvgP
8(J&_7u
二. 战前分析 \x\_I1|
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。
*(5y;1KU
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 !B_i~Rmg
,R_ KLd
rw/WD(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); x2/L`q"M?=
/* --------------------------------------------- */ ?4vf2n@
vector < int *> vp( 10 ); UT!gAU
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); $Kw)BnV
/* --------------------------------------------- */ R1 u1
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ". #=_/op
/* --------------------------------------------- */ T5(]/v,UT
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); QhUv(]0
/* --------------------------------------------- */ 6Tjj++b(*
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); t4>%<'>e
/* --------------------------------------------- */ A82Bn|J
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); DA;,)A&=Q
"5Orj*{
y8=p;7DY
s8 S[w
看了之后,我们可以思考一些问题: jSNUU.lur
1._1, _2是什么? n%GlOKC
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 PEqO<a1Z8
2._1 = 1是在做什么? ~$xLR/{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。 WxwSb`U|
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。 )* 5R/oy,
g#b[-)Qx
r:Uqtqxh
三. 动工 FaS}$-0
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ti$d.Kc(
)pELCk
6apK]PT
7 $AEh+f
template < typename T > ernZfd{H
class assignment 9ReH@5_bGM
{ Sz4G,c
T value; g_ 'F(An
public : r,F~Vwa}
assignment( const T & v) : value(v) {} "BSSA%u?c
template < typename T2 > i
Lr*W#E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } WrWJ!
} ; p4mlS
J?4aSssE
{KkP"j'7h
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 V }<Hx3!
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment P>q"P1&{
"";[U
W+N9~.q\^
7u8HcHl
class holder
c
*<"&
{ 44;ZX$HL
public : yO}RkRA
template < typename T > X]up5tk~
assignment < T > operator = ( const T & t) const m2&"}bI{
{ 'wh2787
return assignment < T > (t); 5m2`$y-nb
} fT)u`voE,
} ; ia=eFWt.
i$MYR @
\GA6;6%Oo
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: l"9.zPvT<
qbu>YTj
static holder _1; o&M2POI~q
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 4?Mb>\n%<^
-)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); CZE!rpl
而不用手动写一个函数对象。 =R+z\`2
dMkDNaH,
MZ" yjQ A
2BTFK"=U
四. 问题分析 %{GYTc \'X
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。 cspO5S>#
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。 8I=n9Uyz
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 bpq2TgFj
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Q.SLiI
下面我们可以对这几个问题进行分析。 8j~:p!@
] Tc!=SV
五. 问题1:一致性 H"v3?g`S%
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?| |0!oSNJ
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 (S~|hk^
43_;Z| T
struct holder 0XwDk$l<
{ We7~tkl(
// qf7:Q?+.|
template < typename T > 'EF\=o)^Y
T & operator ()( const T & r) const iq s
{ d GEMrjx
return (T & )r; &+t! LM
} w.s-T.5.j
} ; MD ETAd
\)H}
这样的话assignment也必须相应改动: G)qNu }
+<cvyg5U
template < typename Left, typename Right > 8NY$Iw
class assignment yO@KjCv"
{ Yt^<^l77D
Left l; #is1y3yh
Right r; J
LOTl.
public : V=#L@ws
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Sw##C
l#
template < typename T2 > f"^G\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Y6LoPJ
} ; ?~G D^F
'EsN{.l?
同时,holder的operator=也需要改动: n,KOQI;
F_8<
tA6
template < typename T > .}KY*y
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 8J60+2Wa
{
5p9zl=mT
return assignment < holder, T > ( * this , t); 8<cD+Jtj
} "T>74bj_|Q
K@ZK@++
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 &zVF!xNy&
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 *.g0;\HF
B o@B9/ABv
return l(rhs) = r; }1EfyR
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 VlGg?
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: JzhbuWwF-
:Ja]Vt
template < typename Tp > z$'_ =9yZ
class constant_t ZY%]F,Y
{ ,,*i!%Adw
const Tp t; >3R%GNw
public : XhF7%KR
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} V{51wnxT
template < typename T > lZpa)1.tiC
const Tp & operator ()( const T & r) const jY.iQBhjEB
{ C[cNwvz
return t; NzRpI5\.
} Vf
Jpiv1
} ; -8-BVU
Vwj^h
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 RS`]>K3t
下面就可以修改holder的operator=了 '%!'1si
L2v
j)(
template < typename T > d,"?tip/SX
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const eK
}AVz}k
{ vfW
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *0y|0J+0
} o)NQE?
=M]f7lJ
同时也要修改assignment的operator() A]VcQ_e
C)2Waj}
template < typename T2 > JaC
=\\B
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } :5/P{Co(
现在代码看起来就很一致了。 k!/"J
;
Z,'#=K
六. 问题2:链式操作 8"2
Y$*)(
现在让我们来看看如何处理链式操作。 nF0V`O\T
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 b>R/=tx
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 !L3M\Q0
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 }m6zu'CV
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct {fsU(Jj\
~WS;)Q0|
template < typename T > >BC?%|l
struct result_1 oH/6
{ W_z2Fs"A
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; + V:P-D
} ; E;l|I
A/7
[qhQj\cK
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: +J`EBoIo
EC6)g;CO
template < typename T > Lb# e
struct ref ,3^gB,ka
{ 0>#or$:6E
typedef T & reference; "tuBfA+f
} ; 11Kbj`sRZ
template < typename T > L4th 7#
struct ref < T &> -i``yf?P
{ oObm5e*Z
typedef T & reference; x,W)qv
} ; _I;+p eq
L,Jl#
S
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: /I2RU2|B
#bX~.jKW
template < typename T > TV$Pl[m
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const (<?6X9F:N
{ V=";vRS8
return l(t) = r(t); Y)@mL~){
} I>k>^
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 >h3r\r\n3
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 +dWx?$n
K\5'pp1
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 S4RvWTtQV
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: m&)5QX
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 4_3O?IY
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ,fS}cpV
最后的布局是: Vl;GQe
Add w9D<^(_}/
/ \ FYIzMp.4
Divide 5 v,t&t9}/
/ \ SJY<#_b
_1 3 E\N?D
似乎一切都解决了?不。 %mR roR6
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。 (P;z*
"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。 =ogzq.+|
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: .k5
TQt
}V.Wp6"S
template < typename Right > et|P5%G
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const =j[zMO
Right & rt) const i_OoR"J%
{ fm2,Mx6
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5>.)7D%
} wN,DTmtD
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 m=&j2~<i
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。 ODn6%fp%
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。 &Mz3CC6
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。 y7#$:+jQv
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 zNT~-
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? M7"I]$|\
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: V>}@--$c-r
a`5ODW+
template < class Action > D`]Lm 24_]
class picker : public Action +W+O7SK\y
{ td^2gjr^5
public : Uq/#\7/rL
picker( const Action & act) : Action(act) {} !4uTi [e
// all the operator overloaded (uG.s %I
} ; QF/A-[V
+pU\;x
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。 =PXQX(_
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: n`";ctQT
w[w{~`([",
template < typename Right > #~um F%#
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const l1^/Q~u
{ t59"[kQ
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); j.MpQ^eJ7
} 8%s^>.rG
t ZUZNKODW
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > B<