一. 什么是Lambda ^D 8YF
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 (#FWA<o
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, ,@ A1eX}
:Xc%_&)
Mi&,64<
=s`\W7/;{-
class filler z5-vx `
{ y#8|
@?
public : 6>ZUx}vYj
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} <d~P;R(@
} ; DytH} U"
~TCz1UWV
U2z1HIs
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: !0:uM)_k
tL(B gku9
,:UoE
RWtD81(oC'
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Yz;Hu$/
WbC|2!
Tct8NG
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 k L2(M6m
7ET^,6
pASNiH698
,<*n>W4|
二. 战前分析 #y13(u,dN
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。 iLw O4i
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 $6w[h7
!qPVC\l
YlDui8.N
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); /gT$ d2{
/* --------------------------------------------- */ hXdc5 ?i?
vector < int *> vp( 10 ); _#xS1sD
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); @Y+YN;57
/* --------------------------------------------- */ p@] \ N
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); }N^.4HOS8
/* --------------------------------------------- */ h}fz`ti U
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); d)F~)}TFM
/* --------------------------------------------- */ &
.VciSq6
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); o5KpiibFM
/* --------------------------------------------- */ XL>v$7`#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); x'_I{$C&
^l|{*oj2
WCT}OiLsL
/n;-f%dL
看了之后,我们可以思考一些问题: Lbk?( TL
1._1, _2是什么? 3a #2 }
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。 rlr)n\R#
2._1 = 1是在做什么? :&ir5xHS
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。 <4SY'-w
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。 IMLk{y%6
O\;Z4qn2=
d;O16xcM/
三. 动工 GlYNC&,VL
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: j|"#S4IX)F
9,\b$?9
VqqI%[!Aw
(@*[^@ipV
template < typename T > tcyami6D4
class assignment xrDHXqH
{ |k$^RU<OF
T value; 4E]w4BG)
public : ]s-;*o\H
assignment( const T & v) : value(v) {} o-\ K]
template < typename T2 > . (G9mZFV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Rhh5r0 \5
} ; ||3%REliC
'<_nL8A^
$,$bZV
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 K|nh`r
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment =TKu2
Jm&7&si7
Iko1%GJ1Z
|kJ'FZZd
class holder =W'a6)WE
{ 3Ob"R%Yo
public : vI3L <[W
template < typename T > RGFanP
assignment < T > operator = ( const T & t) const "L^]a$&
{ a^_\ #,}
return assignment < T > (t); vw VeHjR
} @\0U`*]^)
} ; .%;`:dtj
-;1'{v
pEgQ)
9\
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 8qGK"%{ ~
("-Co,4ey
static holder _1; ApHs`0=(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 [4L[.N@
A\p'\@f
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]OIB;h;3
而不用手动写一个函数对象。 Hx[YHu
KL^
ax$ashFO/!
~<
%%n'xmm
tY~gn|M
四. 问题分析 .vsrZ_y?
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。 o1C1F}gxU
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。 QND{3Q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Cw7
07
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。
h[~JCYA
下面我们可以对这几个问题进行分析。 {3n|=
JDPn
五. 问题1:一致性 V45A>#?U
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?| SQ%B"1&$D
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;NNYJqWd^]
uYVlF@]
struct holder o %GVg
{ 8,iBG! RF
// &Omo\Oq&W>
template < typename T > YaiogA
T & operator ()( const T & r) const Y,BzBUWK
{ !9A6DWA E$
return (T & )r; ROcI.tL
} {*utke]}*
} ; n;&08M5an}
to9~l"n.s
这样的话assignment也必须相应改动: 'fpm] *ig
~[n]la
template < typename Left, typename Right > *IBT!@*Q&
class assignment [7x,&
{ x\(@v
Left l; m? 3!
Right r; .\Gl)W
public : I`hltJM'
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} A|jmp~@K)+
template < typename T2 > -u)f@e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } =' %r"_`}
} ; \j
C[|LM&
\"=4)Huv
同时,holder的operator=也需要改动: U\OfB'Dn
&Xh8j^p'
template < typename T > bloe|o!
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 2gP^+.
{ `^FAD
return assignment < holder, T > ( * this , t); k;EG28
} r?cDyQE
K4w %XVaH
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。 C8ss6+k&
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 3=YK" 5J
q8DSKi
return l(rhs) = r; ,uz+/K%OA5
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。 /G[2
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: \
a}6NIo
5e)2Jt:
template < typename Tp > Xn:5pd;?B6
class constant_t Q\H1=8
{ m@(8-_
const Tp t; |#OMrP+oi
public : sA^_I6>M"
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} j&6O1
template < typename T > 0
0JH*I
const Tp & operator ()( const T & r) const .T!R]n
{ ".0~@W0
return t; ^7b[spqE
} $a
/jfpV
} ; Oe#*-
(29h{=P'
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 qH1k
下面就可以修改holder的operator=了 a4a/]q4T
^wnlZ09J
template < typename T > %w9/gD
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const IZ9L
;"}
{ Cd Bsd
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); p~v
rr 5
} ^)i5.o\
:eHD{=
同时也要修改assignment的operator() He&7(mQ0^
4c})LAwd&
template < typename T2 > UQX.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } *yx5G-#?
现在代码看起来就很一致了。 0cGO*G2Xr
`5SLo=~
六. 问题2:链式操作 i sK_t*
现在让我们来看看如何处理链式操作。 :A,g :B
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。 LgG7|\(-
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。 FCr^D$_w
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 4O I''i
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct v@xbur\L
`Zdeq.R]
template < typename T >
nky%Eb[\
struct result_1 Re[x$rw
{ So6ZNh9
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; B|fh 4FNy
} ; v d{`*|x
J&hzr 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: a9f!f %9
AiF'*!1
template < typename T > w(,K
struct ref 'R-Ly^:Qd
{ CIt%7
\c
typedef T & reference; 1\t# *N
} ; <bvbfS
template < typename T > 4z;@1nN_8a
struct ref < T &> ?'xwr)v
{ 4J~ZZ
typedef T & reference; XJ$mRh0`K
} ; m2{DLw".
,ORwMZtw{H
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: J2_~iC&;s
B,xohT
template < typename T > \Fh#CI
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const bmid;X|
{ fen~k#|l
return l(t) = r(t); AhyV
} UnE[FYx
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 |>'.(
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 13JZ\`ceb
*ku}.n
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 _L^(CFE
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 8*bEsc|
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 /W|=Or2oR
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 TA9Kg=_
最后的布局是: 1WP(=7$.
Add
S6d&w6
/ \ qOqU
CRUe:
Divide 5 Xn%ty@8
/ \ H{d;,KfX
_1 3 vvi[+$M
似乎一切都解决了?不。 Nn/f*GDvK
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 u4KP;_,m
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 #$dEg
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: !T|q/ri
X]1Q# $b
template < typename Right > }Sx+: N*
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Y[R;UJE`5
Right & rt) const F
]x2;N
{ xHpB/P ~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); m)q e
} zbL8
pp
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 `w(~[`F t
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 qlU"v)Mx
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 /19ZyQw9
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ]?<=DHn
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 6Trtulm
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ,_iR
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: >^Z==1
F,.dC&B
template < class Action > AE@N:a
class picker : public Action qib4DT$v-6
{ _!ITCkBj
public : />dH\KvN
picker( const Action & act) : Action(act) {} u}0U!
// all the operator overloaded V4CL%i
} ; JVe!(L4H
\'Z^rjB
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。 {Q(R#$)5+
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: ,7/F?!G!J
n#
4e1n+I
template < typename Right > `Ei:Z%@7C
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const - %'ys
{ F8pP(Wl
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); .l:x!
} 45(n!"u65
+?%LX4Y
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > [h0.k"&[
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。 Pw|J([
GE!fh1[[u
template < typename T > struct picker_maker .QLjaEja
{ KmX?W/%R
typedef picker < constant_t < T > > result; xsERn F>`
} ; )OE!vA
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > r^Mu`*x*
{ Ls2g#+
typedef picker < T > result; "/g\?Nce
} ; DlF6tcoI
5<77o|
下面总的结构就有了: KM9)
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。 $gPR3*0
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ',l}$]y5
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 iebnQf
至此链式操作完美实现。 LSlYYyt
7H$wpn
Zln
9k*1_
七. 问题3 cKe{ ]a
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。 ZD#{h J-
E5. @=U,c
template < typename T1, typename T2 > tg"NWp6
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const G|+naZ
{ B4RP~^
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); /DxeG'O
} ;a9`z+ K
;NPbEPL[5
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: ]1dnp]r
@#1T-*
template < typename T1, typename T2 > =2&