一. 什么是Lambda D=A&+6B@-
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Si4!R+4w
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, W]$w@.oW[
H`XUJh
CCs%%U/=
NR$3%0 nC6
class filler W 8<&gh+
{ Pa>AWOG'
public : h"B+hu
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} x /(^7#u,
} ; 2lZ
Q)
u74[>^
`z}?"BW|
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: yt+L0wzzB
Ye%~I`@?
ydEoC$?0
xWH.^o,"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ?.m bK
>F|>cc>_E
6$hQ35
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 M5LfRBO
~gJwW+
[Q~#82hBhY
MVpGWTH@F
二. 战前分析 i'<[DjMDlm
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ;DQ ZT
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 \{_q.;}
P_^ +A
L?b~k=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); w?PkO p
/* --------------------------------------------- */ Qab>|eSm
vector < int *> vp( 10 ); Ve$o}h-
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); J'6PmPzY|
/* --------------------------------------------- */ /aCc17>2V{
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); df8k7D;~e
/* --------------------------------------------- */ l ~"^7H?4e
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); l
K{hVqpt
/* --------------------------------------------- */ olB.*#gA
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); o+iiSTJEe
/* --------------------------------------------- */ .D"m@~j7
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ~Y[r`]X`"m
Df-DRi
/obfw^
a@K%06A;'
看了之后,我们可以思考一些问题: R`5.[?Dt
1._1, _2是什么? @Rze|
T.
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。 ;J( 8
L
2._1 = 1是在做什么? V;VHv=9`o
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。 3Y4?CM&0v
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。 F} yW/
](]i 'fE>
[-1^-bb
三. 动工 @}u*|P*
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: *->W^1eGM
d A}-]
x
M/+L:_<
Ys9[5@7
template < typename T > T9|m7
class assignment 79rD7D&g
{ :1Xz4wkWS*
T value; >0y'Rgfe
public : ;3coP{
assignment( const T & v) : value(v) {} wYXQlxd y
template < typename T2 > :wyno#8`-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Vi$~-6n&
} ; i$"F{|Z0
B N5[,J
%bn jgy
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 yf.~XUk^
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Mmj;-u
#4NaL
S"QWB`W2
Pl06:g2I
class holder 5X$ jl;6
{ VR 8-&N
public : V*;(kEqj
template < typename T > GT.,
assignment < T > operator = ( const T & t) const ;6
D@A
{ ea2ayT
return assignment < T > (t); 9Q^r
O26+
}
K=Z|/Kkh
} ; )gUR@V>e2
%g$o/A$
\ A#41
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: {%5eMyF#
?3`UbN:
static holder _1; :K,i\
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 T@B/xAq5!
(UD@q>c
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); k/_ 59@)
而不用手动写一个函数对象。 dh iuI|?@
E?f-wQF
;%9 |kU
9!\B6=r y4
四. 问题分析 DH!~ BB;
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。 OX7M8cmc+
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。 VQt0 4?
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 h
0Q5-EA
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 e\l7Iu
下面我们可以对这几个问题进行分析。 UYJZYP%r
7hcYD!DS
五. 问题1:一致性 kd(8I_i@
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?| 7M~K,E(7~
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 s
WvBv
,AFu C<
struct holder 9G5rcYi
{ %JBz5G
// dt]-,Y
template < typename T > R4cM%l_#W
T & operator ()( const T & r) const ~L\z8[<C
{ _4So{~Gf1
return (T & )r; b94DJzL1z
} n0 {i&[I~+
} ; 9wwqcx)3(
pofie$
这样的话assignment也必须相应改动: U(g:zae
L|xbR#v
template < typename Left, typename Right > 0RLg:SV
class assignment {rw|# Z>A
{ :U%W%
Left l; ;bib/
Right r; Y eo]]i{
public : 'G4ICtHQ
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ^"2J]&x`G
template < typename T2 > Om\vMd@!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5L%'@`mX
} ; LckK\`mh
Hg izW
同时,holder的operator=也需要改动: zu{P#~21
,!y$qVg'\f
template < typename T > }q`S$P;
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const HCs?iJ
{ $a"Oc
return assignment < holder, T > ( * this , t); a~}OZ&PG
} 1};Stai'
\&3+D8H>n
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 zP8lN(LA
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 d.d/<
Id .nu/
return l(rhs) = r; pJ"qu,w
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ?M9=yA
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ChPmX+.i_
v MH
template < typename Tp > :q%M_
class constant_t #rfiD%c
{ WlC:l
const Tp t; f+,qNvBY/
public : [!#L6&:a8
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} '8H4shYg
template < typename T > X51:
const Tp & operator ()( const T & r) const Fj3a.'
{ 0gr/<v
return t; 7*A],:-q
} >W+%8e
} ; !ons]^km
MaQqs=
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ,f'CD{ E
下面就可以修改holder的operator=了 9F;>W ET
6}Ci>_i4#
template < typename T > ag[wdoj
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const H=vUYz
{ "_NN3lD)X
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); R"t,xM
} WO>nIo5Y
xr Jg\to{i
同时也要修改assignment的operator() @,my7?::oM
CxW>~O:
template < typename T2 > ^%{7}g&$u
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } T_5H&;a
现在代码看起来就很一致了。 kv{za4,&
mL{6L?
六. 问题2:链式操作 vw/J8'
现在让我们来看看如何处理链式操作。 uh>; 8
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。 q{LF>Wi
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。 G}raA%
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。 }V`"s^
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct sBg.u
,<P
vovg_
template < typename T > 21l;\W
struct result_1 :J&oX
<nF^
{ Ka
V8[|Gn,
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; #f]SK[nR
} ; \V~eVf;~
Moza".fiN
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: H40p86@M
2-EIE4ds
template < typename T > 5e^ChK0Q
struct ref bwMm#f
{ $G@5qxcV
typedef T & reference; Wt-GjxGi
} ; 0IBSRFt$g&
template < typename T > (iX+{a%"
struct ref < T &> Y\8)OBZ
{ Om2d.7S
typedef T & reference; ?NsW|w_
} ; ZKTz
,
;h
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ;dgp+
0GCEqQy8
template < typename T > -C]5>& W
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const =-n}[Y}A
{ nmKp[-5
return l(t) = r(t); 9qzHS~l
} eru.m+\
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。 r[iflBP
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ;[OH(!
&}B|"s[
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 [ sjosV
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: c`w}|d]mC
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ~=l;=7 T
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 7;wd(8
最后的布局是: {_p_%;
Add B[?Ng}<g`
/ \ A$0fKko
Divide 5 qu{&xjTH8
/ \ ;85>xHK
_1 3 FWgpnI\X|{
似乎一切都解决了?不。 ]Q)OL
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 #.)0xfGW)n
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 TKmf+ZT*r
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: -k e's
'zuIBOH`j3
template < typename Right > y}ev ,j
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const >U27];}y
Right & rt) const T+H!_ky`A
{ .4!=p*Y
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); `Eo.v#<
} J}K$(;:
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Pw"-S?`(
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。 ,R*
]>'
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。 p6!x=cW
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。 sS'm!7*(3
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。 T}v4*O.,
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? <}9lZEqY
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: [5Mr@f4I
~U&AI1t+J
template < class Action > d|Lj~x|
class picker : public Action Cjlk
{ ar+9\
public : x7<K<k;s
picker( const Action & act) : Action(act) {} M gi,$H
// all the operator overloaded @Z:l62l=bE
} ; 6A+nS=
60?%<oJ oH
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 T!)(Dv8@F
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: PIS2Ed]
q(W3i^778
template < typename Right > FP4P|kl/9'
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 5D//*}b,
{ 7Kxp=-k
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); lZKi'vg7
} T'Dv.h
a~y'RyA
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > V/9!K%y
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ]2qo+yB
uiR8,H9*M
template < typename T > struct picker_maker DT&@^$?
{ U-tTW*[1]
typedef picker < constant_t < T > > result; 7a<DKB
} ; Fd9[pU
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 0*{%=M
{ )|#sfHv7
typedef picker < T > result; k!'a,R:
} ; ,/|T-Ka
m#\dSl}
下面总的结构就有了: {V
CWn95Z
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。 ]Gq !`O1
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。 ml
}{|Yz
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 z9Rp`z&`E
至此链式操作完美实现。 U9MxI%tb
oE]QF.n#
AFE~
v\Gz
七. 问题3 G2:
agqL/
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。 8VXH+5's
_u QOHwn
template < typename T1, typename T2 > 8&b,qQ~
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const &\*(Q*2N
{ m^;f(IK5
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); xdkZdx>N
} J<jy2@"tXo
M[,@{u/
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: g{&ui.ml&
Yr[\|$H5
template < typename T1, typename T2 > D2~*&'4y
struct result_2 ge8ZsaiU
{ amY!qg0P*
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; _E.>`Q
} ; f9{Rb/l!BQ
[Y|t]^M
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Z4
=GMXj
这个差事就留给了holder自己。 1o{Mck
/h|#J
1=Z0w +v{
template < int Order > 9CD_os\h
class holder; H$UcF1k<
template <> ~2-1 j
class holder < 1 >
r3UUlR/Do
{ ln
dx"prW
public : 86F1.ve
template < typename T > >tW#/\x{
struct result_1 sLxc(d'A
{ #?:l b1
typedef T & result; gc$l^`+M
} ; O3kA;[f;
template < typename T1, typename T2 > k~w*W X'
struct result_2 j|#Bo:2km
{ DEZveQr=
typedef T1 & result; 9q~s}='"
} ; vUM4S26"NT
template < typename T > P+/e2Y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const zIAD9mQex
{ $1`2kM5
return (T & )r; [ v*ju!
} s!$7(Q86R
template < typename T1, typename T2 > mc\"yC^s
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const {3aua:q
{ ?gGHj-HYJ
return (T1 & )r1; :"/d|i`T
} G" "ZI$`
} ; f%}xO+.s
s?nR 4
template <> (<C3Vts))
class holder < 2 > U # qK.
{ pFjK}JOF
public : *J`O"a
template < typename T > TarY|P7_
struct result_1 1iF1GkLEq
{ pYf-S?Y/V
typedef T & result; Qzw;i8n{
} ; /mzlH
template < typename T1, typename T2 > P~X2^bw
struct result_2 EXqE~afm2
{ }0Ed]
typedef T2 & result; e$rZ5X
} ; b d!Y\OD
template < typename T > t*w/{|yO
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7-fb.V9
{ }@d @3
return (T & )r; hp|YE'uYT
} U&q