一. 什么是Lambda uePa4e!
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 GF17oMi
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, ?TMrnR/d
Al^h^ 9tJ
h
e1=
\(;X3h
class filler 8/T,.<5
{ l'FNp
public : M]uO%2
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} I%tJLdL
} ; :>o2UH
(aX6jdvo
xC
YL3hl
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: o l8|
r8TNl@Z
'[`pU>9
gaVQ3NqF
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); cUD}SOW
";*Iwd*V
'D[g{LkL
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 CAtdx!
Y N*"q'Yz_
H q."_i{I
'w`3( ':=
二. 战前分析 50HRgoP5Y
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 $zD}hO9
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 I3" GGp3L
xO<Uz"R
&\
\)x.!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); :M9 E
/* --------------------------------------------- */ jQi)pVT^
vector < int *> vp( 10 ); TW!>~|U)y
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); woyeKOr
/* --------------------------------------------- */ {i| $^A3
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); b$/'dnx
/* --------------------------------------------- */ <}t<A
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); H-'~c\)
/* --------------------------------------------- */ "FH03
9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); _su$]s
/* --------------------------------------------- */ @DniYt /
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); FWl'='5L
m8NKuhu
a6 epew!2
gFAtIx4
看了之后,我们可以思考一些问题: qIg^R@
1._1, _2是什么? |iGfWJ^+
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 HiPd|D
2._1 = 1是在做什么? 'bx$}w N
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。 HWxwG'EEY,
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。 K[M[0D
IrTMZG
+/Qgl
三. 动工 ?0hEd9TU
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Fpckb18}(O
+lED6]+%
k \V6q9*
W>T6Wlxu`6
template < typename T > *WK0dn
class assignment Hl b%/&
{ $|n#L6k
T value; 3%DDN\q\u
public : " twq#Alx
assignment( const T & v) : value(v) {} +"F 9yb
template < typename T2 > JVt(!%K}&
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } nWb0S
} ; kzXmiBL<9
5$Da\?Fpn
)Y
9JP@}T
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 MrFi0G7u
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 5@< D6>6
HZEDr}RN
1@ .Eh8y
I+g[
p
class holder Nlk'
{ JsyLWv@6xa
public : %:vM D
template < typename T > 1PnWgu
assignment < T > operator = ( const T & t) const mQqv{1
{ -1 <*mbb0
return assignment < T > (t); 6y}|IhX?z
} J={R@}u
} ; /.<2I
3lT>C'qq
XXA1%Lw%
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: iR6w)
cgF?[Z+x
static holder _1; 3|9
U`@
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 b@m\ca
-3T~+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); t8\XOj
而不用手动写一个函数对象。 U6
$)e.FO
q;L~5q."E
^L +@oS
y;1l].L
四. 问题分析 8e*1L:oB!
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 h4lrt
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 d/!R;,^
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 VMb r@9
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 'v:%} qMv
下面我们可以对这几个问题进行分析。 9e>Dqlv
LJ+Qe%|
五. 问题1:一致性 mOE%:xq9-
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| F3pBk)>a\
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 wR*>9LjeG
6im!v<1Qx
struct holder ,sln0
{ Qkq9oZ
// .uwD;j
+#
template < typename T > 2c4x=%
T & operator ()( const T & r) const Q{"QpVY8
{ sm>5n_Vw
return (T & )r; i1k#WgvZR
} [mJmT->
} ; FEzjP$
ubZcpqm?Q
这样的话assignment也必须相应改动: f!n0kXVu6U
*D6X&Hg&5
template < typename Left, typename Right > 5}"@$.{i
class assignment Q
{ %?WR9}KU0
Left l; i>}aQ:&^0
Right r; 1@L|EFa
public : :d ,]BB
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} JLFZy\
template < typename T2 > :^[HDI-[2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Kfl#78$d
} ; vk]vtjf&%
z-X_O32
同时,holder的operator=也需要改动: i6y$P6s
@ky<5r*JU(
template < typename T > 1Zj NRg=
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Q>[Xm)jr:
{ \WN,.
return assignment < holder, T > ( * this , t); GoTJm}[NP
} QFYO_$1Y)
x{.+i'
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。 H@%Y"iIUP
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 {} gr\
fu]mxGPc
return l(rhs) = r; t/`~(0F
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。 l=.h]]`;
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: j|/4V
a/v!W@Zz}
template < typename Tp > XwNJHOaF
class constant_t 5B76D12
{ C~:@ETcbil
const Tp t; JX! @j3
public : &3t[p=
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} O<EFm}Ae
template < typename T > $VRVMY [q
const Tp & operator ()( const T & r) const WXzSf.8p|
{ K6s%=.Zi(
return t; |>U:Pb(
} Sl7x>=
} ; ZgD%*bH*B
q}'ww
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 mtunD;_Dek
下面就可以修改holder的operator=了 |*5803h
G&LOjd2
template < typename T > Spqbr@j
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const
iE8
{ f}C$!Lhs
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ccPTJ/%$
} {BS}9jZx
o&Vti"fpC
同时也要修改assignment的operator() &?)?
w-$p
~#^suy?
template < typename T2 > t5"g 9`A L
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } UG5AFZ\
现在代码看起来就很一致了。 "ytPS~
lNwqWOWy
六. 问题2:链式操作 tW)KpX
现在让我们来看看如何处理链式操作。 yur5"$n
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。 :U!@
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。 $2gX!)
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 d[7B,l:RN
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ^/V>^9CZ
!`h^S)$
template < typename T > E@(nKe&6T_
struct result_1 Jdc{H/10
{ gFQ\zOlY8a
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; .%x%b6EI
} ; :Ou[LF.O
(<ZpT%2
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: N3rq8Rk
T>cO{I
template < typename T > Am @o}EC
struct ref Z,Z4Sp
{ >=+:lD
typedef T & reference; vv
FH (W
} ; aF!Im}
template < typename T > aB*'DDlx"r
struct ref < T &> wdo(K.m
{ 99G'`NO
typedef T & reference; gL(_!mcwu
} ; ;.'\8!j
H,q-*Kk
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Ww&r
!+(c/ gwBh
template < typename T > gx ]5)O
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Krw'|<
{ <<M1:1
return l(t) = r(t); LyuA("xB#
} &`^PO$
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。 FD[o94`%
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3"O&IY<
"pInb5F
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 lh`ZEvt
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: nQaryL
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 /a7N:Z_Bz
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 xMr=tU1C
最后的布局是: 2K
VX
Add o^8Z cN>
/ \ vBLs88
Divide 5 vi;yT.
/ \ _X]\#^UiO2
_1 3 3o^~6A
似乎一切都解决了?不。 ~LF1$Cai
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。 rf=oH
}
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。 N eC]MW
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: 9@^N*
E+
;BmPP,
template < typename Right > {\u6Cj x
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const X@pcL{T!
Right & rt) const Qu_=K_W
{ @=NTr
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); GvTA/zA
} qF3s&WI
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 `P/87=h
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。 ^9zlxs`<d
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。 ZuNUha&a
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。 9
M90X8
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。 [U@;EeS
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? yW]>v>l:Eg
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: Hg04pZupN
oH"VrS 6
template < class Action > vtw97G
class picker : public Action ecMpU8}rR
{ Ie7S'.Lmq
public : !%/2^
picker( const Action & act) : Action(act) {} .Mxt
F\
// all the operator overloaded 49tJ+J- N
} ; $[U:Dk}
Uo0[ZsFD
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 =:=s
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: iit 5IV
&~ '^;hy=
template < typename Right > P%y9fU2[
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ?Ll1B3f
{ U&o~U] rm
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); hH]oJ}H \
} UWW'[gEP1
;-quK%VO!
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Z\S'HNU
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 CuFlI?~8 z
_5/3RN
template < typename T > struct picker_maker jP31K{G?
{ (gEz<}Av.
typedef picker < constant_t < T > > result; ,8)aKy
} ; lFV\Go
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 7?]wAH89
{ 1B`JvNtd
typedef picker < T > result; ^%t{:\
} ; BmFtRbR
^0(`:*
下面总的结构就有了: q
rF:=?`E
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ;]VLA9dC
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 bC,SE*F\
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 +HF*X~},i
至此链式操作完美实现。 }_fVv{D
4Ix~Feuph
{k)H.zwe
七. 问题3 H)pB{W/
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 V>"NVRY
d(q2gd@
template < typename T1, typename T2 > L"'L@A|U
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const EASN#VG
{ @N6KZn|R
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); nnuJY$O;M
} |k<5yj4?
~EO=;a_
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: ge[&og/$
]D@y""{--s
template < typename T1, typename T2 > CA3`Ee+rD
struct result_2 6#Bg99c
{ tg;AF<VI
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; q)!G5j3
} ; ]//Dd/L6
[(iJj3s!
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? jTN!\RH9NF
这个差事就留给了holder自己。 jF6[+bW<
66'AaA;0^i
IRbZ ;*3dO
template < int Order > r1zuc:W1
class holder; x?2y^3<5
template <> tRXR/;3O
class holder < 1 > 2l}3L
{ 6D29s]h2
public : puK /;nns
template < typename T > Ql9
)
struct result_1 #IxCI)!I{[
{ $`txU5#vs
typedef T & result; [p96H)8YU
} ; }^ZPah
template < typename T1, typename T2 > 2rqYm6
struct result_2 Y4)=D@JI
{ 2^fSC`!
typedef T1 & result; jEW@~e
} ; qViolmDz
template < typename T > to3D#9Ep
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const KTjf2/
{ _;u@xl=
return (T & )r; e2Df@8>
} O^4Ko}
template < typename T1, typename T2 > JDm7iJxc_
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const UP@-@syGw
{ gg QI
return (T1 & )r1; htHnQ4Q
} ZJ}|t
} ; oT[8Iu
z/t+t_y
template <> ym6gj#2m
class holder < 2 > bS*oFm@u
{ /;xmM2B'
public : Gu\lV c
template < typename T > c{cJ>d 0
struct result_1 6Ej@;]^^-
{ xyRZ
v]K1
typedef T & result; Z{
b($po
} ; 84YZT+TEN
template < typename T1, typename T2 > gfU!sYZ
struct result_2 n##d!d|g
{ |d=MX>i|G
typedef T2 & result; ns9a+QQ
} ; j:J{m0
template < typename T > `"<