一. 什么是Lambda mM;p 7
sJ
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ^)[jBUT
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, )\Ay4d
5R"(4a P
:k7h"w
c27\S?\
Jd
class filler a?X{k|;!7u
{ |a[Id
public : `F
TA{ba
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} VT`C<'
} ; Oxhc!9F
bG[)r
~OQ/ |ws
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: n*GsM6Y&
K\vyfYi
fp2.2 @[
x$
oId{;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); f<aJiVP
B&k"B?9mL
O!#bM< *
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 xHY#"
F8%.-.l)
4!
V--F
9Jhc5G
二. 战前分析 NU?05sF
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。 c$[cDf~
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 r @
IyK%
j)neVPf%v
,Rh6(I
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?* %JGz_
/* --------------------------------------------- */ 8LM 91
vector < int *> vp( 10 ); BLskUrPF
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); y.'5*08S0
/* --------------------------------------------- */ r#CQCq
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); CHPu$eu
/* --------------------------------------------- */ Lupug"p0
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); xmI!N0eta
/* --------------------------------------------- */ xJ18M@"j
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); =6N%;2`84
/* --------------------------------------------- */ SZ[,(h
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); <+wbnnK
)LP=IT
{!`0i
;Iu}Q-b*
看了之后,我们可以思考一些问题: sAG#M\A6
1._1, _2是什么? !C$bOhc
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 1D/9lR,
2._1 = 1是在做什么? KDODUohC
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 wNX2*
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 `X06JTqf:
^+m6lsuA
a$r<%a6
三. 动工 A*r6
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: +hJ@w-u,G
)@O80uOFh
Av#_cL
TzJp3
template < typename T > `?f Y!5BA
class assignment W".: 1ov#B
{ <lBY
T value; -J$,W`#z
public : ).BZPyV<
assignment( const T & v) : value(v) {} <^APq8>
template < typename T2 > CQ`$' oy?W
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } G{ 9p.Q
} ; Gidh7x
m1mA:R\zM
KG!W,tB
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 E
mUA38
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment *C(/2
f;[\'_.*
/R2K3E#
;E"TOC
class holder 0pYCh$TL1
{ ,'KQF C
public : {g%F 3-
template < typename T > am$-1+iX
assignment < T > operator = ( const T & t) const xzqgem`[\
{ ]~!jf
return assignment < T > (t); <)vjoRv
} <d$L}uQwg
} ; U',9t
\
nIz5J}3
2Op\`Ht&
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: eq|G\XJ
w _*|u
static holder _1; b R6g^Yf
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 jP]I>Tq
S-M|
6fv
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ww_gG5Fc$
而不用手动写一个函数对象。 z2Pnni7Ys
'g4t !__
yK$.wd2,
:|GC~JElo5
四. 问题分析 {Q&@vbw'
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 TTJFF\$?
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 X"S-f;b#
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 F|eKt/>e
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 #~
:j< =o
下面我们可以对这几个问题进行分析。 63J_u-o
KKfC^g
五. 问题1:一致性 *bl*R';
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| d:U2b"k=/u
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 h\jV@g$
Zd~l_V f
struct holder 7+,6m!4
{ -|?I'~[#(
// sd@JQ%O
template < typename T > 36NENzK
T & operator ()( const T & r) const 6vx0F?>_
{ /~,|zz
return (T & )r; A,tmy',d"
} \m>mE/N
} ; k *a?Ey$
DNP%]{J
这样的话assignment也必须相应改动: PRs[!EB6
%s+H& vfQs
template < typename Left, typename Right > ileqI/40f
class assignment &8l"Dl
{ &a'H vQV
Left l; B,@<60u
Right r; v<*ga7'S
public : (QO8_
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ?!N@%R>5rN
template < typename T2 > >i`V-" x
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 6#,VnS)`q
} ; uxGY/Zf
>S3,_@C
同时,holder的operator=也需要改动: QY]^^f
U"1z"PcV
template < typename T > b(hnou S
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const SJYy,F],V"
{ Q7 dXTS4H
return assignment < holder, T > ( * this , t); r%M.rYLG{
} ?w{ lC,
:# 1d;jx
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<Kzh
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 xQ4'$rL1d
;.=ZwM]C
return l(rhs) = r; t0[H_
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 =hs
!t|(*
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: th@a./h"
d?j_L`?+
template < typename Tp > `MMh"# xN
class constant_t '6^20rj
{
:Hk:Goo2
const Tp t; bCM&Fe0GM
public : ogcEv>0
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} byj}36LN62
template < typename T > 2>l
=oXq
const Tp & operator ()( const T & r) const %SV5PO@
{ R)>/P{A-P
return t; hXsd12
} BPp`r_m8w}
} ; /Iwnl
gW{<:6}!*
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 a[<'%S#3x
下面就可以修改holder的operator=了 d(.e%[`
U@W3x@
template < typename T > v/n4Lp$W^
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const KeU|E<|!
{ w2-:!,X
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); tx$kD2
} @ ;%+Ms
gWt}q-@nRR
同时也要修改assignment的operator() r(ej=aR
Vej [wY-c
template < typename T2 > 8]@)0q {r
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } up[9L|
现在代码看起来就很一致了。 hT`kma
3;M7^DM
六. 问题2:链式操作 mWOW39Ku
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ^
olaq(z
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 E5a1
7ra
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ;x 9_
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ?hpT"N,hF9
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct l^.d3b
l@ +lUx8
template < typename T > k[TVu5R
struct result_1 ?C('
z7
{ Lk?%B)z
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Gm,vLs9H$T
} ; |Ai/q6u
3AKT>Wy =
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: }6;K+INT
v"nN[_T
template < typename T > N?xZ]?T
struct ref 6f"jl
{ fkLI$Cl
typedef T & reference; :O`7kZ]=n
} ; )?5027^
template < typename T > nz{
;]U1
struct ref < T &> #w%d
{ )-98pp7~BB
typedef T & reference; ZXCq>
} ; U
GA_^?4
6`KR
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: p>4tPI}bf
b3/@$x<
template < typename T > xJG&vOf;?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const C`G+b{o
{ Hrjry$t/J
return l(t) = r(t); [/h3HyZ.
} }BF!!*
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。 0P{^aSxTP
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 " ^v/Y
LtIR)EtB]
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 "_LDs(&
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: KCBA`N8
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 myq@X(K
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 \,UpFuU\
最后的布局是: uDtml$9rN
Add Cz1Q@<)
/ \ WqX$;'}h
Divide 5 _xKIp>A
/ \ XmZs4~\K$G
_1 3 pZE}<EX
似乎一切都解决了?不。 +9^V9]{Vo
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 .<m${yU{3
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。 HZINsIm!?
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: ;;4>vF#*
PO*;V<^
template < typename Right > d}RU-uiW
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (Q]Ww_r~
Right & rt) const ABx< Ep6
{ Mb!b0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); <?2g\+{s9
} VyMFALSe]h
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 RJ\'"XQ
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。 V=i/cI\
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。 ugu|?z*dI
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。 Ub,5~I+`
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。 >='y+68
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? MyZ5~jnr\
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: z|M+
FHl$
JT,[;
template < class Action > T1-.+&<
class picker : public Action }'KHF0
{ HZawB25{
public : o8B$6w:_
picker( const Action & act) : Action(act) {} ^ g'P
H{68
// all the operator overloaded 5cF7w
} ; +s j2C
Z[ 53cVT^
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 MaS-*;BY,
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 9cIKi#Bl
[mcER4]}
template < typename Right > UfkQG`G9H
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const T5_/*`F
{ tqFE>ojlI
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); EXbaijHQG
}
N Zu2D
O}-+o 1
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > u|+Dqe`
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 Im!fZ g
t"$#KP<
template < typename T > struct picker_maker OTj
J'
{ 0woLB#v9
typedef picker < constant_t < T > > result; pwg\b
} ; N|2PW ~,
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Ods~tM
{ v.6K;TY.
typedef picker < T > result; wZg~k\_lF
} ; gSk0#Jt
adtgNwg
下面总的结构就有了: {+^&7JX
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。 WkMB
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。 l+#uQo6cqQ
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >sGiDK @
至此链式操作完美实现。 'j9x(T1M1
<u}[_
-KL5sK
七. 问题3 {U)q)
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。 V4ybrUWK
X?$"dqA
template < typename T1, typename T2 > >aAsUL5W
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const nC}Y+_wo0
{ ^@
Xzh:
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); n
>@Qx$-
} cS%;JV>C
6(/*E=bOKV
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: gs(ZJO1 /L
QT4&Ix,4T1
template < typename T1, typename T2 > he|.Ow
struct result_2 Y;{(?0
s
{ C.RXQ`-P}
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; H}cq|hodn
} ; (H;,E-
r8Z.}<j
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? BUUc9&f3o
这个差事就留给了holder自己。 v+~O\v5Q
!l$k6,WJi
0D/7X9xg9+
template < int Order > m#^;V
class holder; ?&D.b$
template <> o|APsQE
class holder < 1 > ,rX|_4n*
{ D%=j@
public : ;!B,P-Z"g
template < typename T > tu^C<MV
struct result_1 L=gG23U&
{ 'yR\%#s6
typedef T & result; y\=^pla
} ; eyy%2>b
template < typename T1, typename T2 > CQs,G8\/
struct result_2 L|p+;ex
{ <l<