一. 什么是Lambda XSIO0ep
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 $w}aX0dK&
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, m`6`a|Twp$
lcLxqnv
s0'U[]
c=mFYsSv
class filler D#(L@{vC
{ o{,(`o.1O
public : 1KEPD@0oxx
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |-?b)yuAz
} ; gU$3Y#R
0a;zT
O/"v
m=y)i]=1
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: r!=VV!XZ
r+obm)Qtp
KWkT
9[H
+DDvM;31w
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 2^j9m}`
z(a:fL{/XG
1&WFs6
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 [r~lO@
e6/} M3B
<i?-x&Q?=
N($]))~3&
二. 战前分析 vdM\scO:
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。 =1uI >[aN
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 2^+"GCo
-4a&R=%p
kE|#mI[>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Z/;SR""wa
/* --------------------------------------------- */ a&PZ7!PZv
vector < int *> vp( 10 ); mI18A#[ 3
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); (/BkwbJyE
/* --------------------------------------------- */ k#M W>
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); T9.gs}B0
/* --------------------------------------------- */ #,pLVt<
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); /otgFQ_
/* --------------------------------------------- */ vUNE!j
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); @
vudeaup
/* --------------------------------------------- */ {,X(fJ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 1gr jK.x
kDQXPp
_69\#YvCG
C?J%^?v
看了之后,我们可以思考一些问题: =+WFx3/
1._1, _2是什么? iE5^Xik,
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。 >?V->7QLP
2._1 = 1是在做什么?
q\"$~*
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 '{~ej:
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 >oNs_{
pQi -
H9?~#GPb
三. 动工 Ws@s(5r
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: wz=I+IN:
8a{g EZT,
j.*}W4`Q_
a{=~#u8
template < typename T > vC1 `m
class assignment 3i1>EjML
{ I`l<}M
T value; o=}?aC3I
public : 'UKB
pm/
assignment( const T & v) : value(v) {} r+2dBp3
template < typename T2 > :#vrNg(M
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } c`cPGEv
} ; 4{&
X-)6.[9f
I nk76-
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 [LK
9^/V
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment (nm&\b~j
5{UGSz 1
QQJcvaQ
MG|NH0k
class holder 9b>a<Z
{ cD]t%`*
public : nBd;d}LD
template < typename T > <\u%ZB
assignment < T > operator = ( const T & t) const Q6E80>
{ uzOZxW[e
return assignment < T > (t); (Y%}N(Jg
} 9S}PCAA;
} ; e5dw q
OWU]gh@r
ev`p!p
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: AyWCb
;,D7VxWhY
static holder _1; e2>gQ p/
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 l\H9Io3
MEE]6nU
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sy~mcH:%+
而不用手动写一个函数对象。 7ORwDR,`5
zK}.Bhj#
0W@C!mD~
aDs[\'
四. 问题分析 .d;/6HD[y
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ]0o78(/w2
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 =6>mlI>i
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 q^gd1K<N
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 4JucNGv
下面我们可以对这几个问题进行分析。 0@2%pIq\
GerZA#
五. 问题1:一致性 :t(}h!7
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| e_Y>[/Om
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 9K)2OX;$w
mIOx)`$
struct holder I;=}@]9
{ .S[5CO^
// 7#Mi`W
template < typename T > 4o'0lz]
T & operator ()( const T & r) const rLp0VKPe
{ zg]9~i8
return (T & )r; nfd^'}$]
} Ltc>@
} ; dP )YPy_`
X)\t=><<
这样的话assignment也必须相应改动: {jbOcx$t
Dp>/lkk.
template < typename Left, typename Right > (ue;O~
class assignment N'IzHyo.
{ ugOcK Gf
Left l; pj'Yv
Right r; VsFRG;:\U
public : 4W6gKY
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} s3oK[:/
template < typename T2 > y/E%W/3
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 1_%3cN.
} ; 5E4np`J
0&zp9(G5
同时,holder的operator=也需要改动: _K'YaZTa;~
. F_pP2A
template < typename T > C4ge_u#
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const kz] qk15w
{ U",kAQY
return assignment < holder, T > ( * this , t); pf[bOjtR
} L -<!,CASW
p%8y!^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。 ;=aj)lemCr
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ] vQn*T"^
bvi
Y.G3
return l(rhs) = r; |}=xA%)
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。 IOomBy:
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Dhv ^}m@
!np-Jmi
template < typename Tp > `|+!H.3
class constant_t F{ v >
{ V& _
const Tp t; K8daSvc
public : s
+"?j
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 2XNO*zbve
template < typename T >
YH@p\#Y
const Tp & operator ()( const T & r) const wa2?%y_G
{ ZuH@qq\
return t; Z0 @P1
} M*<Ee]u
} ; n Hz Xp:"
\AQ*T`Dq
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4zzJ5,S 1
下面就可以修改holder的operator=了 f0S$p
R
{S,L %
template < typename T > )G
a5c
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 9#cPEbb~
{ Xw)W6H|
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); &P' d&B1
} Vq4g#PcG
}xJ ).D
同时也要修改assignment的operator() 1 UdET#\
|$
template < typename T2 > -Ph"#R&
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } kT^|%bB[i
现在代码看起来就很一致了。 '3Ro`p{
ecvQEK2L
六. 问题2:链式操作 dT?mMTKn+
现在让我们来看看如何处理链式操作。 t.X8c/,;g
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。 DXyRNE<G[C
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。 &1 t84p:^=
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。 #7v=#Jco
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ZB+~0[C
7fE U5@
template < typename T > PJ-g.0q
struct result_1 tqk^)c4FF(
{ M,w5F5
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ?hBj q
} ; ,)?!p_*@:
"vvv@sYxi
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: N.'-9hv
L
NS O]\
template < typename T > lq}m0}9<
struct ref 2,'~'
{ Fa0Fl}L
typedef T & reference; BK]5g[
} ; `}.jH1Fx/m
template < typename T > pL5Bz!_r
struct ref < T &> JCjV,
{ 0g'MFS
typedef T & reference; WU\Bs2
} ; aOhi<I`*
&0x;60b
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: +k;][VC[O
@Ta0v:Y
template < typename T > 4D)M_O
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const zX8'OoEH*9
{ BN1,R] *;
return l(t) = r(t); EG!Nsb^,
} P" aw--f(
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+# g_"1@p
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 _a\$uVZ
nTv^][
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 XyYP!<].C
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: }xJ!0<Bs
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Il]p >B
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 }hA)p:
最后的布局是: oM!zeJNA
Add Z x&= K"
/ \ t=IM"ZgfL
Divide 5 '
-td/w
/ \ k r5'E#
_1 3 W~& QcSWqD
似乎一切都解决了?不。 iw^"?:'%
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。 nNhb,J
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。 _iH:>2p 5R
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: uCjbb
, }B{)
template < typename Right > H,(4a2zx
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const H<Zs2DP`
Right & rt) const $r1{Nh
{ }F-,PSH
Ml
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _|>bOI
} Of;$
VK'
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 T,uJO<
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。 ;y.<I&
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。 `08}y*E
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。 j34lPo `
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。 ;HmQRiCg
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? 7#sb},J{
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: *#Iqz9X.Y3
,-)ww:
template < class Action > CTZ#QiNP
class picker : public Action s x) x7
{ a;v;% rs
public : b/UjKNf@
picker( const Action & act) : Action(act) {} 9R N ge;*
// all the operator overloaded J';XAB }
} ; O7xBMqMf
XBos^Q
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。 98%6Z8AS6U
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: 78O5$?b;#
e
ls&_BPE
template < typename Right > v]m#+E
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const g?9%_&/})A
{ +\66; 7]s
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); CW@G(R
} u`wT_?%w
7WN$ rl5/
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > E akS(Q?
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。 'p4b8:X
o[>p
template < typename T > struct picker_maker Nu6]R677Y
{ _R;+}1G/
typedef picker < constant_t < T > > result; M5l*D'GE]
} ; Yd$64d7,h
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > f/e2td*A
{ ]]_H|tO
typedef picker < T > result; EhHW`
} ; `*Jw[Bnh8
UE/N-K)`
下面总的结构就有了: bn8?-
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。
q
pFzK
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 0:k ~lz
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 !GBGC|avE
至此链式操作完美实现。 <>K@#|%Y&
C6wlRvWn
K7$Vl"l
七. 问题3 !Mk:rO-L
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。 t+BLO<
o!M*cyq
template < typename T1, typename T2 > von~-51;
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const d^jIsE `
{ /pDI
\]
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); c}g:vh
} !YEU<9
.
G ~,h
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: N0G-/
Zc57] ~
template < typename T1, typename T2 > -Fs^^={Q
struct result_2 blA]z!FU
{ ?4}EhXR(
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; D^H<)5d9
} ; `)R@\@jt
Ig6>+Mw
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? CmPix]YMQ
这个差事就留给了holder自己。 ZW|VAn'>
B.J4}Ua
v]HiG_C
template < int Order > ^6
sT$set
class holder; J8yi#A>+
template <> Zm@
O[:~
class holder < 1 > g$*VA} s
{ !S',V&Yb
public : (FAd'$lhX}
template < typename T > x 1"ikp}
struct result_1 WwDxZ>9jw
{ -j_J1P0,
typedef T & result; y]`@%V2P
} ; S:"t]gbF =
template < typename T1, typename T2 > HSOdqjR*
struct result_2 ^50/.Z>
{ p=(;WnsK
typedef T1 & result; c#e_Fs
} ; 7o+!Gts]
template < typename T > wQ,RZO3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const e+F5FAMR68
{ A2"xCJ0`
return (T & )r; pstQithS
} Al`[Iu&
template < typename T1, typename T2 > 0PnW|N0
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ${ ~UA6
{ m!:7ur:Y
return (T1 & )r1; 6Bp{FOj:Ss
} #?i#q%q
} ; ys;e2xekg
L/GM~*Xp(O
template <> HJ5m5':a
class holder < 2 > ,\DB8v6l\A
{ W&4`eB/4}
public : #~.i\|VL
template < typename T > Rhx7eU#&
struct result_1 G6eC.vU]j
{ Prhq ~oI4
typedef T & result; 2ezuP F
} ; q'2PG@
template < typename T1, typename T2 > uPV,-rm[F_
struct result_2 !r.}y|t?;
{ 2>O2#53ls0
typedef T2 & result; ok\+$+$ju
} ; i&>,aiH@
template < typename T > Xx|&%b{{r
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const _|TE )h
{ MQY1he2M
return (T & )r; Lx?bO`=qg7
} ~~zw[#'
template < typename T1, typename T2 > U&3*c+B4
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const yK?~XV:
{ 7^iF,N
return (T2 & )r2;
A]U]
} 4Ro(r
sO
} ; SC2C%.%l`
fe37T@
$xu?zd"
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 1wc
-v@E
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: rY!uc!
首先 assignment::operator(int, int)被调用: N@MeaO
@su{Uno8/
return l(i, j) = r(i, j); ~#a1]w
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Y[~6f,?^
b=|&0B$E
return ( int & )i; Ix"c<1I
return ( int & )j; Y6L+3*Qt
最后执行i = j; {my=Li<