一. 什么是Lambda jtV{Lf3<
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Z+=W gEu1
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, lKrD.iYt8
j Aw&5,
_+S`[:;a
x1]^].#Eo
class filler H ZIJKk(
{ SgHLs
public : vAbMU
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 4WG~7eIgy
} ; E#`=xg
07DpvhDQ
p}hOkx4R\
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: [bIdhG
>;dMumX
81fpeoNO
KcglpKV`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); KtU I(*$`
p\wE})mu
qgvg
MWj
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 E9;cd$}K
Vz!W(+
9; H R
z*. 4Y
二. 战前分析 L"&j(|{
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。 I#zrz3WU
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 M%7{g"J*
\]e"#"v}}_
+u#;k!B/>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bX:Y5o49
/* --------------------------------------------- */ B\wH`5/KW
vector < int *> vp( 10 ); >c*}Do{lG
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); H-~V:OCB~
/* --------------------------------------------- */ >t&Frw/Bl
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ^&MMtWR
/* --------------------------------------------- */ \?{nP6=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Mf
Dna>,Y
/* --------------------------------------------- */ .$y}}/{j?[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 8bLA6qmM\
/* --------------------------------------------- */ Jp=eh
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); dElOy?v
iUJqAi1o
@cA`del
uIvy1h9m
看了之后,我们可以思考一些问题: +!6aB|-
1._1, _2是什么? M>VT$!Lx
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。 3zo]*6p0
2._1 = 1是在做什么? LF vKF .
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。 k3h,c;
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。 NBuibL
Fq>=0 )
'VcZ_m:
三. 动工 GoP,_sd\O
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: D::$YR
~R
r63_|~JVB<
DvCs 5
CB{%~
template < typename T > 6:O3>'n
class assignment / PDe<p
{ +b"RZ:tKp
T value; v!n\A}^:
public : _-eF
&D
assignment( const T & v) : value(v) {} \>0%E{CR
template < typename T2 > jX}}^XwX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } -.-je"E
} ; wNMg Y
mX3~rK>@~
Oa~|a7 `o
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Y?W"@awE"\
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment gpW3zDJ
/HbxY
b fy `UZr
~CiVLSH=
class holder c`}-i6
{ qplz !=
public : ]H<5]({F
template < typename T > )';Rb$<Qn
assignment < T > operator = ( const T & t) const [lZo'o
{ Tap=K|b ]
return assignment < T > (t); u3)Oj7cX
} GWo^hIfJ
} ; ]vj4E"2;
m8'B7|s
{* S8n09v
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: Ylbh_ d~BU
rvO7e cR"
static holder _1; ,0+%ji^V
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 pwo5Ij,~q
QWVH4rg
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); V
;Kzh$^rk
而不用手动写一个函数对象。 q>:>f+4
3]xe7F'`
> w:+nG/r
BzBij^h
四. 问题分析 d~+8ui{-U
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 EWuuNf
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 tYV%izE
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 `L p3snS
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 \Y.&G,?
下面我们可以对这几个问题进行分析。 bB^% O^:
RDU,yTHq
五. 问题1:一致性 .Rt_j
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| `k y>M-
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 +~,
qb1aZ
c@u)m}V
struct holder ZqKUz5M4
{ P<P4*cOV
// {Ic~}>w
template < typename T >
E~oQ%X~
T & operator ()( const T & r) const mXZOkx{
{ 0CXh|AU
return (T & )r; @k+Z?Hp
} 3/a$oO
} ; A*l(0`aWq
Mf0!-bu
这样的话assignment也必须相应改动: Mazjn?f
d>"t*>i]>
template < typename Left, typename Right > Q*wub9
class assignment `P1jg$(eA
{ p x;X}Cd
Left l; Oi{X \Y
Right r; 0{|ib !
public : zt/p'khP3
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} fsc^8
template < typename T2 > #PYTFB%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } $ijWwrh
} ; {XYv&K
I#(D.\P
同时,holder的operator=也需要改动: 9( ;lcOz
Id8^6FLw
template < typename T > 4-^LC<}k
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const |RT#ZMJek
{ PAF2=
return assignment < holder, T > ( * this , t); ,aI 6P-
} "B`yk/GM]
S-[]z*
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。 12)~PIaF
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 $q#|B3N%
2!QS&i
return l(rhs) = r; l'YpSO~l7
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 3\eb:-B:@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: C[ <OF/
|6LC>'
template < typename Tp > k#k !AcC
class constant_t rtcY(5Q
{ (bH*i\W
const Tp t; 7NG^X"N{Ul
public : Nt42v
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} cWIX!tc8
template < typename T > e"en
ma\_
const Tp & operator ()( const T & r) const 4)Y=)#=
{ L+Q"z*W
return t; Qg
} ]D&$k P(
} ; d#7 z
N
`WF?87l1
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 (1\!6
下面就可以修改holder的operator=了 =g'7 xA
@=x=dL(
template < typename T > P(fTlrb
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Gad!}dz
{ o?uTL>Zin
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 5}gcJjz
} z<_{m4I;
c>d+q9M
同时也要修改assignment的operator() reLYtv
>L#&L?#
template < typename T2 > pc}Q_~e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } QFIdp R.
现在代码看起来就很一致了。 0[}"b(O{
R^P~iAO
六. 问题2:链式操作 sJtz{'
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Q/4g)( ~J
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。 lwPK^)|}
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。 esmQ\QQ^1
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。 f5zxy!dhKS
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct -?<wvUbR{
R{)Sv| +`
template < typename T > Hx2.2A^
struct result_1 [>&Nhn0iY
{ f33'2PYl
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; )K>XLaG)
} ; "v4;m\g&:
a^i`DrX
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: Rj9ME,u
HH+NNSRO
template < typename T > #B:J7&@fn
struct ref iyrUY
{ wIuwq>
typedef T & reference; ya{vR*
'~
} ; 5gZ0a4
template < typename T > Ta?#o
struct ref < T &> ]"q[hF*PM
{ ov zIJbf
typedef T & reference; )ruC_)
} ; d6,%P6
@^}
%
o-:
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: zMt "ST.
jfZ(5Qu3.H
template < typename T > #*#4vMk<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const E*>tFw&[
{ o+`W
return l(t) = r(t); L 7_Mg{
} xZPSoxu
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。 DSYtj}>
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 r0l ud&_9
>>Hsx2M
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 I>bLgt]u3
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: S20x
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 FIlw
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 f!e8xDfA
最后的布局是: ?(>7v[=iT
Add lZV]Z3=p'0
/ \ }\=9l<|
Divide 5 2GXAq~h@
/ \ $$<9tqA
_1 3 uCF+Mp
似乎一切都解决了?不。 ~ygiKsD6b
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。 26>e0hBh&
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。 5|x&Z/hL
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: "v/^nH
}lML..((1
template < typename Right > "w=p@/C
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const +cheLc
Right & rt) const 2,/("lV@0
{ djqSW9
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); $@Zb]gavt?
} X&MO}
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 5|NM]8^^0[
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。 xO9,,w47
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。 *'`ByS
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。 6.~HbN
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。 JVwYV5-O<0
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? #l2wF>0
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: S&]+r<
44f8Hc1g
template < class Action > i' %V}2
class picker : public Action fU!C:
{ &at>pV3_
public : Xp1xhb*^
picker( const Action & act) : Action(act) {} j7<`^OG
// all the operator overloaded }h5pM`|1
} ; kGc;j8>."
hZY+dHa]
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。 &.an-
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: zv <,
W:4]-i?2
template < typename Right > {G&K_~Vj
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const J;+tQ8,AP
{ (03m%\
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?T7`E q
} 9Vxsv*OR,
QKCc5
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > DC]FY|ff
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。 .(VxeF(v_k
@{@x2'-A
template < typename T > struct picker_maker @Rig@
{ \ s`'3y
typedef picker < constant_t < T > > result; }(Nb]_H
} ; YgQ_P4B;
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > -x_b^)x~b7
{ \|@]XNSN
typedef picker < T > result; qXt2m
} ; 2[[pd&MJZ
{O5;V/00}
下面总的结构就有了: _ p?lRU8
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。 L,[0*h
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。 W|G(x8
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ]d9;YVAU
至此链式操作完美实现。 =9i:R!,W
{K*l,U
QV L92"
七. 问题3 Axk
p
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。 !R//"{k0?
k^ B'W{
template < typename T1, typename T2 > g`y
>)N/
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 0jrcXN~
{ uWG'AmK_#E
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8{6KWqG\
} Rr^<Q:#"<|
O1JGv8Nr
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: FxKH?Rl
+&O[}%W
template < typename T1, typename T2 > IA&((\YC
struct result_2 U/&?rY^|
{ A_{QY&%m
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; pb{'t2kk
} ; yT-m9$^v
@H@&B`K d
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? Pgr>qcbql
这个差事就留给了holder自己。 n~8-+$6OR
/!eC;qp;[
C&NoEtL>s
template < int Order > *Mg=IEu-6[
class holder; b&*^\hY9b
template <> =5oFutg`
class holder < 1 > ro}plK(<WQ
{ .o:Pe2C
public : VaZS_qGe:
template < typename T > }qc[ysDK]
struct result_1 @xtcjB9
{ y:iE'SRRK6
typedef T & result; M7eO5
} ; ;T"}dJel#
template < typename T1, typename T2 > 4oT25VH
struct result_2 vo!:uvy;2
{ uTbI\iq
typedef T1 & result; yIXM}i:
} ; !b rN)b)f
template < typename T > q}ZZqYk
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const UG
Fx
{ b\UQ6V
return (T & )r; ^-~.L: }q
} WT'P[RU2
template < typename T1, typename T2 > ?lR)Hi
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const _<pG}fmR
{ 8BE OE<
return (T1 & )r1; #n{wK+lz
} yeE_1C .
} ; -gIuL
6xk"bIp
template <> 70lb6A
class holder < 2 > 6:-qL}
{ v^[tK2&v
public : gLl?e8[F
template < typename T > z;#}uC
struct result_1 wy&