一. 什么是Lambda MUOa@O,
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~pa!w?/bQ
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, `k(yZtb
YDC mI@
$,I q;*7N
gh`m*@
class filler !-s!f&_
{ PFUO8>!pA\
public : ,F&g5'
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} NmK8<9`u
} ;
F4=}}kU
\txbhWN
'65LKD
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: q'pK,uNW
ld$i+6|
(SSRY 9
,mRyQS'F
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); f%5zBYCgC
Y@'8[]=0
Q1V9PRZX
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 V"cKJ;s
Kn+S, 1r
H>r!i4l
4|A>b})H
二. 战前分析 l
& Dxg
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。 &A#~)i5gF
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 MX>[^}n
6TP7b|
JNcYJ[wqv
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); M$f7sx
/* --------------------------------------------- */ >u9Nz0?j
vector < int *> vp( 10 ); E2)h?cs
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); w+1Gs
;
/* --------------------------------------------- */ [qsEUc+Z.'
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); (a9d/3M
/* --------------------------------------------- */ H@]MXP[_
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); KZ~*Nz+H2
/* --------------------------------------------- */ (sWLhUgRX
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); <w3!!+oK"
/* --------------------------------------------- */ iR"N13
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); e<r,&U$
O12eH
QeF3qXI
K98i[,rP
看了之后,我们可以思考一些问题: Q_l'o3
1._1, _2是什么? @JdZ5Q
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。 NHlk|Y#6b
2._1 = 1是在做什么? LdJYE;k Ju
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。 s+>:,U<A
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。 E!S 78z:
s(W|f|R
+>JjvYx}\
三. 动工 ID/F
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: p,"g+ MwP
_UuC,Pl3
/*0K92NB
,0LU~AGe
template < typename T > s&j-\bOic9
class assignment &r:7g%{n
{ 43=,yz2Ef
T value; 0Fu~%~#E$
public : 2#k5+?-c61
assignment( const T & v) : value(v) {} <tioJG{OT
template < typename T2 > "Wx]RN:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } =FD;~
} ; }NB}"%2
({o'd=nO
o=1X^,
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 NFv>B>
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment )2M>3C6>f
6^DR0sO
uG<}N=
J[&b`A@.o
class holder /t(C>$ }p
{ |ZQ@fmvL/p
public : o6p98Dpg
template < typename T > A<ynIs<
assignment < T > operator = ( const T & t) const M'/aZ#
b
{ i7ly[6{^pr
return assignment < T > (t); 4ni3kmvX
} A=
w9V
} ; P67o{EdK
&ot/nQQ
$.bBFWk
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: //aF5:Y#
+U@<\kIF
static holder _1; SV(]9^nW
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 M
%Qt|@O
zL J/5&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); FJd]D[h
而不用手动写一个函数对象。 }[xs~!2F
e$pMsw'MJ
LlSZr)X
xL" |)A =
四. 问题分析 !Xph_SQ!B=
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。 F,'exuZ
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)_0OR2lkp
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 /S lYm-uQ+
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 kTvd+TP4
下面我们可以对这几个问题进行分析。 c}0@2Vf
~#/hzS
五. 问题1:一致性 9WR6!.y#f
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?| ~_!F01s
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 u#@Q:tnN_
<=,6p>Eo[
struct holder 71{p+3Z&
{ [#sz WNfU
// ]H1I,`=@
template < typename T > fX|Y;S-@+
T & operator ()( const T & r) const Gmz6$^D
{ j.@\3'
return (T & )r; DX|#
gUAm
} ,zT y?OQ
} ; J:\|Nc?
.?hP7;hhI
这样的话assignment也必须相应改动: eET}r24
s91JBP|B7
template < typename Left, typename Right > j ku}QM^
class assignment )d>!"JB-
{ HC}YY2
Left l; @Rw!'T
Right r; 9\DQ>V TQ
public : _zwUE
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ` 5C~
template < typename T2 > qC?:*CXH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5kz)5,KjM
} ; x
a06i#
82DmG@"s2
同时,holder的operator=也需要改动: d8x \
EB8\_]6XJ
template < typename T > x3"#POp
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const oGRhnP'PF+
{ `WH"%V:"Q
return assignment < holder, T > ( * this , t); _}En/V_
} $+I;oHWI
WpRc)g:
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 6ZQwBS0Y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 %&Q$dzgb_
[Yc G(^^
return l(rhs) = r; "
_ka<R..
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。 '`uwJ&@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: `6xkf&Kt
ynhmMy%
template < typename Tp > qDfd. gL
class constant_t CLJ;<
{ fk x \=
const Tp t; Yn G_m]
public : k<\$OoOZ
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Bjz Pz
template < typename T > iB& 4>+N+
const Tp & operator ()( const T & r) const 9B7^lR
{ H,u<|UMM_
return t; Rw:*'1
} C
.~+*"Vw
} ; LpqO{#ZG
x-?Sn' m
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 _c_[C*T]
下面就可以修改holder的operator=了 9uA>N
trp0V4b8
template < typename T > 3skC$mpJHw
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const h9G RI
{
N#a$t&
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ,^ . 88<
} ?qWfup\S
:dQ B R
同时也要修改assignment的operator() ZU%[guf
+yD`3`
E
template < typename T2 > $NZ-{dY{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } U5.LDv;
现在代码看起来就很一致了。 m~-K[+ya`D
&bfA.&
`
六. 问题2:链式操作 vbC\?\_
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ''\Ov
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_n9]Z
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。 a+Kj1ix
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。 L'0B$6
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct [J4gH^Z_
Ke2ccN
template < typename T > .xm.DRk3
struct result_1 L"4mL,
{ rFj-kojg
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; IV\'e}
} ; [nrYpb4
G2Qlt@.T
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: EkjN{$*
=pS5uR~
template < typename T > noml8o
struct ref z4jR[x,
{ ]);%wy{Ho
typedef T & reference; rLI8pA|.
} ; #AL=f'2=f
template < typename T > O06"bi5Y
struct ref < T &> $JMXV
{ Pa
V@aM~3
typedef T & reference; 06c>$1-?
} ; 0;AA/
hPUYyjXPB
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: LHkc7X$
Of[XKFn_
template < typename T > 5ft`zf
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const [BqHx5Xz(
{ S~;4*7+?:
return l(t) = r(t); +#lM
} N D(/uyI
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。 =F]FP5V
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 B&[M7i
$_o-~F2i5
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 K1\a#w
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: YkniiB[/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 V-Sd[
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &U5{Hm9Ynr
最后的布局是: jB$IyQ;@
Add bzuEfFaL
/ \ d%RC
Divide 5 D6>2s\:>vp
/ \ |:xYE{*)H
_1 3 M^r1S
似乎一切都解决了?不。 YaKeq5%y
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。 q_g+Jf
P-D
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。 a!<8\vzg
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: j/r]wd"aUS
A+"ia1p,}
template < typename Right > h]5C|M|
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const aJ-K? xQ
Right & rt) const k.vBj~xU
{ zr+zhpp
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Gb#Cm]
} nrxo&9[@n
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 b[t> te
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。 {*0<T|<n
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。 m#PY,y
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。 ~sl{ |E
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。 OjJXysslXO
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? hyCh9YOu)
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: \>:CvTzF
'IZI:V"
template < class Action > rz wF~-m +
class picker : public Action 9[b<5Llt
{ ,2j&ko1
public : TcjEcMw,
picker( const Action & act) : Action(act) {} \r /ya<5
// all the operator overloaded z3&]%Q&
} ; Ox&P}P0f
(l-tvk4Ln
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。 2XFU1 AW
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: xO^:_8=&:
l6YtEHNG
template < typename Right > 8$85^Of
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 8jd;JPz@\
{ kbTm^y"
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); J
pFfzb
} {QcLu"?c
D7lK30
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > $@^pAP
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。 e,F1Xi#d
K/tRe/t}
template < typename T > struct picker_maker ORyE`h
{ d
F9!G;V
typedef picker < constant_t < T > > result; ,uo'c_f(e
} ; "uuVy$6C
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > i5Zk_-\#H
{ 9xO#tu]
typedef picker < T > result; KM}f:_J*lg
} ; P_?gq>E8
tk!t
Y8j
下面总的结构就有了: .z)%)PVV
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。
U*(izD
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 mQCeo}7N5
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 <KE 1f7c
至此链式操作完美实现。 xIxn"^'
Xf02"PXC
b7NM#Hb
七. 问题3 XWA:J^
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 OK{quM5
bu:S:`
template < typename T1, typename T2 > b%<9Sn
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const RA KFU
{ plb!.g
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 2q3+0Et8
} n#q<`}u,
N['qgO/
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: \^ZlG.
R%Q@
template < typename T1, typename T2 > }._eIx"
struct result_2 i\KQ!f>A
{ t?}zdI(4
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result;
0Uo\wyd
} ; )z&/_E=
2.% .Z_k)
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? pPc TrN'
这个差事就留给了holder自己。 1+9W+$=h2
]}U*_rM:
?YZ- P{rTS
template < int Order > 8-BflejX
class holder; 'yL%3h
_@
template <> 7g%E`3)"
class holder < 1 > xZ6~Ma2z
{ a#>Yh;FA
public : U-IpH+E
template < typename T > Wn(6,MDUN
struct result_1 cIav&