一. 什么是Lambda YH&=cI@
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 1U 6B$(V^i
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, g@.$P>Bh
y.r N(
(eHyas %X
Vwkvu&4
class filler nM,:f)z
{ O'y8q[2KE
public : i+_LKHQN
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} SQKhht`M
} ; gFDnt
]%Q!%uTh
k6G
_c;V
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: T]#V
<`H0i*|Ued
ll:UIxx
ZnG.::&:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); h^M_yz-f
bGRt
qQ@| Cj
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 WK~H]w
hW^,' m
x7j#@C
9T,/R1N8
二. 战前分析 .tBlGMcN
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。 0-.
d{P
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 8{ zX=
`Q]N]mK
&Y@i:O
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |3H+b,M5
/* --------------------------------------------- */ )2}R1K>
vector < int *> vp( 10 ); \2SbW7"/;P
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); m'4f'tbN
/* --------------------------------------------- */ )^2eC<t
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); qd`e:s*%
/* --------------------------------------------- */ >lI7]hbIs
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); {SoI;o_>
/* --------------------------------------------- */ DaQ"Df_X
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); UKS5{"=T[
/* --------------------------------------------- */ #c"eff
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); d,<ni"
NBikYxa
RNg?o[S
96=<phcwN[
看了之后,我们可以思考一些问题: D3pz69W
1._1, _2是什么? b 2gng}
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。 h Yu6PWK
2._1 = 1是在做什么? Z;0~f<e%
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。 X{9^$/XsJ
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 q
z)2a2C
a#oROb-*~
Fr%#
三. 动工 ! 'zd(kv<
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: e#Tv5O
+pofN-*%
>{#JIG.
%#6@PQ[R.
template < typename T > fFQ|dE;cF
class assignment TlG>)Z@/
{ N&9o 1_}
T value; T j$'B[cv
public : !avol/*
assignment( const T & v) : value(v) {} +WX/4_STV
template < typename T2 > }gp@0ri%5
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } B(Sy.n
} ; [&x9<f6
`lhw*{3A
AGBV7Kk
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 GP:<h@:798
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment m</m9h8
]#/nn),Z
+UzQJt/>>
W4^L_p>Tm^
class holder 6FS%9.Ws
{ kY0HP a
public : $|4@Zx4vf
template < typename T > $vn6%M[
assignment < T > operator = ( const T & t) const 3JazQU
{ #3uv^m LGa
return assignment < T > (t); (vXr2Z<l
} A5l Cc
b
} ; 7ZcF0h
ycA<l"
*$p*'vR
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: hmy%X`%j
r
)|3MUj
static holder _1; i~B?p[
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 {UiSa'TR1b
r(,U{bU<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); HC`0Ni1
而不用手动写一个函数对象。 sXLW';Fz
>.:+|Br`
n@p]v*
}{0}$#zu
四. 问题分析 F72#vS
j
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。 d^=BXCoC
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。 fN vQ.;
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 RTtKf i}
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 C{)1#<`
下面我们可以对这几个问题进行分析。 l;8t%JV5
?%kgfw@)
五. 问题1:一致性 yD[d%w
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?| Cq5.gkS<
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 T,38Pu@r
,@$5,rNf
struct holder g[xoS\d
{ 0uy'Py@2<
// 5Cf!NNV
template < typename T > 4jT6h9%
T & operator ()( const T & r) const /2^L;#
{ _~FfG!H ^X
return (T & )r; aq,1'~8XR
} xC76jE4
} ; '|yx B')
(P>nA3:UXB
这样的话assignment也必须相应改动: *,u3Wm|7
2=cx`"a$
template < typename Left, typename Right > ,05PYBc3
class assignment y<`5
{ LKN7Lkl
Left l; @2(u=E: ^
Right r; MGdzrcF
public : "M%R{pGA7
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 8 t+eu O
template < typename T2 > ]4~Yi1]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } +IZ=E
>a
} ; VZ]iep
UB~K/r`.|
同时,holder的operator=也需要改动: e02Hf{eOfw
Ae5A@4
template < typename T > F`=p/IAJK
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 0d2P
{ (3e.q'
return assignment < holder, T > ( * this , t); U1\EwBK8*T
} 3Tr,waV
ammi4k/
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。 fe .=Z&
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 c!w[)>v
}G4I9Py
return l(rhs) = r; "&L8d(ZuA
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。 ,%!m%+K9a
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: g-3^</_fZ
&YFe"C
template < typename Tp > y_PA9#v7
class constant_t #N{]
{ /R&`]9].s
const Tp t; !Uiq3s`1T
public : p.:651b
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} wm@m(ArE=
template < typename T > 5Fy dh0.
const Tp & operator ()( const T & r) const @ZEBtM%.O
{ =DwLNyjU4
return t; YNr5*P1
} N:G]wsh
} ; ?mMM{{%(.
_\AQJ?<M
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 *QK)
1Y1W
下面就可以修改holder的operator=了 r3V1l8MV
5(~Lr3v0
template < typename T > 4U2{1aN`
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const lpT&v;$`
{ &M-vKc"d
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); sRB=<E*_
} # epP~J_f
wv~:^v'
同时也要修改assignment的operator() dv+Gv7&2/
x,nl PU
template < typename T2 > LhG\)>Y%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } {S0-y
现在代码看起来就很一致了。 av'DyNW\
CU=sQfE
六. 问题2:链式操作 tSy 9v
现在让我们来看看如何处理链式操作。 |JkfAnrN$I
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 9hr7+fW]t
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 NuOA'e+i
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 3a:Hx|
Yg
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 8Z!%rS
,ye}p1M
template < typename T > 8T+9
fh]I
struct result_1 >H+tZV
{ (wj:Gc
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ?}`-?JB1
} ; c0wLc,)G
!'_7MM
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: !B`z|#
F{mUxo#T
template < typename T > ;R=n<=Axa
struct ref re*Zs}(N\
{ @ ]u@e4T
typedef T & reference; EIw]
9;'_
} ; Tm^kZuT{
template < typename T > RUY7Y?
struct ref < T &> 97Dq;
{ cfmLErkp
typedef T & reference; ,h=a+ja8
} ; ,^bgk
-x-
:2lpl%/
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: <M9NyD`
?22U0UF
template < typename T > s AFn.W
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const :uo)-9_
{ =`x }9|[
return l(t) = r(t); /mwUDf 6x
} J4+WF#xI2
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ;_\yg)X,
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Hn >VPz+I
Bq$IBAot
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 f?d5Ltg
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: =]%,&Se
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 /KvJjt'8
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 _Q:z -si
最后的布局是: OUWK
Add 89>}`:xS^
/ \ af<h2r
Divide 5 np2&W'C/i
/ \ ?OW!D?
_1 3 g} !{_z
似乎一切都解决了?不。 \me5"ZU
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。 -]wEk%j
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。 8XJi }YPQ
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: Q
z(n41@`
G,>YzjMY`
template < typename Right > \k5"&]I3
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const {9(0s| pr
Right & rt) const -ED}
6E
{ ypEMx'p
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); k.C&6*l!5;
} }E ]l4N2
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 #b/L~Bw[
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。 dQT[pNp:
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。 pO *[~yq5
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。 t+w{uwEY
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。 aX1b(h2
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? u<8b5An;
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: 7j)ky2r#
GXxI=,L8F
template < class Action > ~~Bks{"BS
class picker : public Action D\G.p |9=
{ /a*){JQ5j
public : S3M!"l
picker( const Action & act) : Action(act) {} #OPEYJ;*9d
// all the operator overloaded gy@=)R/~
} ; eP"B3Jw
@_f^AQ
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。 ,c:NdY(,)
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: zg3kU65PJE
uD@ZM
template < typename Right > ^"O>EY':
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const p _[,P7
{ O:#YLmbCN
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); rJGh3%
} c #TY3Z|
PS"rXaY
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ?o[h$7`o6
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。 ^2}HF/
e_e\Ie/pDc
template < typename T > struct picker_maker .;g kV-]
{ {ol7*% u
typedef picker < constant_t < T > > result; Uj;JN}k
} ;
7LU^Xm8
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > $M)SsD~
{ W:8MqVm34
typedef picker < T > result; )T"Aji-hy
} ; |l8=z*v<