一. 什么是Lambda &?@[bD'T
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 e^em^1H(
%
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, Tdade+
veuX/>!
Ni8%K6]z
(/At+MF3E
class filler ^vxx]Hji
{ BTD_j&+(
public : EnGh&]
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} &\I<j\F2/
} ; m.rV1#AI
i}:hmy'
Q7<Y5+
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: oi]XSh[_s
g zlxkv-F{
O&MH5^I
whYk"N
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); wK0x\V6dJ
(kVY\!UAt
BYu(a
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 >|, <9z`D
P4HoKoj2`
7m
ou
vp2w^/])u
二. 战前分析 -.r"|\1X
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。 TFG?
EO
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(jhs
8!0fT}
1 $1>cuu
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Oe
x
/* --------------------------------------------- */ ]h~F%
vector < int *> vp( 10 ); i9Beap/t$
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 0J^Z)U>j
/* --------------------------------------------- */ w+"E{#N
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); w>8HS+
/* --------------------------------------------- */ c0Bqm
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 2<9K}Of
/* --------------------------------------------- */ z{&Av
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ZJW8S
/* --------------------------------------------- */ uB^"A ;0v
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); %19~9Tw
pdm(7^
,}\LC;31,
^SsdM#E
看了之后,我们可以思考一些问题: U#[T!E
1._1, _2是什么? [<5/s$,i
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 yZ 7)|j
2._1 = 1是在做什么? Vpp$yM&?
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。 h<)ceD<,
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。 ZV:df 6S
C[<{>fl)
'zav%}b]L
三. 动工 p+<qI~
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: p2Gd6v.t
V dvj*I
]Tb?z&
k~so+k&=b
template < typename T > ,t QNL\t
class assignment Y@:l!4DI
{ _f8H%Kgk;
T value; MM]0}65KG
public : t\LE\[XM>
assignment( const T & v) : value(v) {} 50dN~(;p
template < typename T2 > IP$eJL[&D"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 5L<A7^j
} ; Xp|4 WM
8\9W:D@"x
b:'8_jL
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 u $[&'D6
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment lAA-#YG
bDIhI}P
yUf`L=C:
H;NAS/OhS
class holder ?]bx]Y;
{ n$NM
public : S"@6,
template < typename T > 5FuV=Y uc
assignment < T > operator = ( const T & t) const A(uo%QE|
{ U+#^>}wc
return assignment < T > (t); 4"Qb^y
} Xs|d#WbX
} ; L~e0^X?
9{U@s
*g
%bdO
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: @`+\vmfD
'v^shGI%Ht
static holder _1; wLiPkW
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 [qV/&t|O*h
M:(.aEe
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); aCH;l~+U
而不用手动写一个函数对象。 c$)>$&([
!( +M
?7TmAll<.s
cAGM|%
四. 问题分析 }f_@@#KB?
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。 RhmkpboucC
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。 J @~g>
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 o3\^9-jmp
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 uPbdzUk$
下面我们可以对这几个问题进行分析。 wSCI?
3N!v"2!#
五. 问题1:一致性 \!jz1`]&{
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?| =jh^mD&'
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Mv/ SU">F
nh0gT>a>@
struct holder <+r~?X_
{ 8+7*> FD)1
// `Ix`/k}
template < typename T > K@DFu5
T & operator ()( const T & r) const 'AWWdz
{ i;/;zG^=_
return (T & )r; 9=6BQ`u
} Nxl#]
} ; g~,iWoY
t' J4zV
这样的话assignment也必须相应改动: ,SIGfd
|:4W5>sfg
template < typename Left, typename Right > (pM&eow}
class assignment ^fsC]9NS
{ op2Zf?Bx{+
Left l; -DJ,<f*$
Right r; t~dK\>L
public : x!W5'DO
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} wj0_X;L
template < typename T2 >
LjEMs\P\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } k >.U !
} ; 6Y6t.j0vN.
<\uDtbK
同时,holder的operator=也需要改动: S&y${f
ollVg/z
template < typename T > !mWm@}Ujg
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ~iiDy;"
{ 7LM&3mA<
return assignment < holder, T > ( * this , t); iD%a;]
} |7n%8JsY!"
vfj{j=
G
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 <h+@;/v:
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 (4RtoYWW
7!(/7U6rP
return l(rhs) = r; pRxVsOb
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ~*\ *8U@7
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: v8'XchJ
.}eM"Kv
template < typename Tp > .waj.9&[l
class constant_t R}3th/ qf
{ })kx#_o]'d
const Tp t; 1ljcbD)T;
public : _-#o[>2[
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} MQcIH2
template < typename T > uTz>I'f
const Tp & operator ()( const T & r) const ek/zQM@%
{ lb*;Z7fx<'
return t; \+/ciPzA-
} thX4-'i
} ; 90Sras>F
bQ
0Ab"+D
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 AY"wEyNU
下面就可以修改holder的operator=了 sUR5Q/Q
FqGMHM\J
template < typename T > )M Tf
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 9m_~Zs}Z
{ nQ|($V1?W
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Y`$\o
} LfU? 1:Du
xe(7q1
同时也要修改assignment的operator() I`jG
b KIL@AI
template < typename T2 > %qE"A6j
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } FL^t}vA
现在代码看起来就很一致了。 &;r'JIp
^
T`T?*h
六. 问题2:链式操作 wL]#]DiE
现在让我们来看看如何处理链式操作。 snu?+*6
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 7F]Hq
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 E+e),qsbO
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 /zQx}U)TP
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct So ~QZ%YA
Jy"\_Vvl
template < typename T > v+trHdSBYE
struct result_1 cUd>ahv
{ 8'qlg|{!~
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; j"pyK@v2B
} ; (Uu5$q(
.V}bfd[k$
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: i eWXr4@:
XhWo~zh"
template < typename T > lk81IhI
struct ref y0?HZ Xq
{ (|<+yQ,@>
typedef T & reference; cH:&S=>h
} ; iPG:w+G
template < typename T > ]mNsG0r6
struct ref < T &> #4"eQ*.*"
{ r4X\/
typedef T & reference; SD8>,
} ; umAO&S.+M
1gt 7My
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: <s|.2~
xI#rnx*
template < typename T > p15dbr1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 2
w!
0$
{ *>Bew
return l(t) = r(t); PQYJnx}
} HFFrS%
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。 QuI!`/N)z
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 |f1^&97=+
jA~omX2A
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 SdMLO6-
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: cH|J
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 7i02M~*uS
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 '^7UcgugB
最后的布局是: Qgf|obrEi6
Add &m9= q|;m
/ \ BXxJra/V
Divide 5 vo)W
ziHh
/ \ (Nd)$Oq[4
_1 3 hPGDN\#LD
似乎一切都解决了?不。 "s_S!;w@
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 aM#xy6:XG
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 JX&%5sn(
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: v^p* l0r6:
63$`KG3
template < typename Right > lZ2gCZ
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 55] MRv
Right & rt) const u WdKG({][
{ ~q/~ u
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Qz2jV
} /|h+,]<
>
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 YD9vWk\/
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。 0Ny +NE:6M
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。 )#hR}|
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=Siy
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。 $$Ibr]$5
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? yzL9Ic
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: R*k;4*1u
a0B%x!y^
template < class Action > RX^8`}N
class picker : public Action Rp:I&f$Hk/
{ (6[/7e)
public : t%k`)p7O
picker( const Action & act) : Action(act) {} a~JZc<ze
// all the operator overloaded v/$<#2|
} ; 'iwTvkf{
T-7(3#&
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 k{lX K\zN
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker:
M\JAB ;A
7`)RBhGB
template < typename Right > gA1j'!\6l9
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const \S?-[v*{
{ 8 K)GH:a
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); > hGB
o
} ~]<VEji
=1)9>= }
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > oz|+{b}%
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 zA$ f$J7\^
]y$/~(OW
template < typename T > struct picker_maker GN5*
{ 1sJz`+\
typedef picker < constant_t < T > > result; E6T=lwOZ
} ; B !rb*"[
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > "^
dMCS@
{ ]z=dRq
typedef picker < T > result; N6S@e\*
} ; C+t|fSJ
Z3u6m0!
下面总的结构就有了: sE{5&aCSR
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。 GH3RRzp r
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。 ":=h1AJY
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 b%C7 kL-
至此链式操作完美实现。 zNn
el<[Ng[
+J
A\by
七. 问题3 x1Gc|K/-
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。 |A0U3$S=
ajkpU.6E:
template < typename T1, typename T2 > XGYsTquSe
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const :zO;E+s
{ wsAb8U C_
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); :qShP3 ^
} wLE|J9t%Ea
W>b\O">
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: v=&xiw