一. 什么是Lambda OegeZV
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 6(Pan%
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, ds(?:zx#
]~KLdgru_
_XV%}Xb'
GWnIy6TH l
class filler 6!ve6ZB[p
{ K Lg1(W(
public : iqQT ^
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} o)AwM"
} ; s|]g@czan
DAB9-[y+
[|DKBJ
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: En?V\|,
:TH cI;PG8
ff\~`n~WZ
50W+!'
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); <U@N^#
wZiUzS;v
EiL#Dwx
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 -3EQRqVg
NXU:b"G
S
$*fJKR_N
Z<-_Y]4j
二. 战前分析 .$qa?$@
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。 dAh.I3
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 $;qi-K3j
6pt_cpbR
"is(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $KiCs]I+
/* --------------------------------------------- */ &O&HczO
vector < int *> vp( 10 ); ,,'jyqD
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); `>g G"1,]
/* --------------------------------------------- */ Jz}nV1G(jz
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); >cu%C s=m
/* --------------------------------------------- */ Dqx#i-L23
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); K p3}A$uV
/* --------------------------------------------- */ "|SMRc
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); kQ`tY`3F
/* --------------------------------------------- */ uJ!&T
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); eUyF<j
PsY![CPrW
uN|A}/hr]
9%!h/m>rW
看了之后,我们可以思考一些问题: 7L{1S
v
1._1, _2是什么? F "@% 7xy
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。 ZZw`8 E
2._1 = 1是在做什么? ^X=Q{nB
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。 Jh26!%<Bl
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。 D*XrK0#Z`
DXFu9RE\{
{f/qI`
三. 动工 sVLvnX,
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 1K72}Gj)ZL
*LT~:Gs#
p8rh`7
*;7y5ZJ
template < typename T > (m~>W"x/
class assignment ,T/Gv;wa2
{ m5\T,
T value; D!<F^mtl
public : YB#fAU
assignment( const T & v) : value(v) {} `KJ(. m
template < typename T2 > mzgt>Qtkz=
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } P*|N)S)X%
} ; q!Du
J
A~zn;
MqyjTY::Xg
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %pC<T*f
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment !FEc:qH
-;""l{
KkvcZs'4m
L4By5)
class holder o3J#hQrl
{ H;Wrcf2
public : O[@!1SKT0
template < typename T > xQoZ[
assignment < T > operator = ( const T & t) const u?osX;'w
{ L\:|95Yq
return assignment < T > (t); VUb>{&F[
} q6zVu(
} ; 7CIN!vrC|1
=|t-0'RsN
UhxM85M;x
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: MK&,2>m,A
u[>"_!T
static holder _1; v88vr
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 87 Z[0>
#mxOwvJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !Sc"V.o@!
而不用手动写一个函数对象。 CSM"Kz`
AIF?>wgq
{ 3G
bLqy7S9x
四. 问题分析 agIqca;
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。 GkGiQf4hh
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。 u4x-GObJM
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 C$[d~1t6
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 P/%7kD@5;
下面我们可以对这几个问题进行分析。
Q!X?P
v"*r %nCi
五. 问题1:一致性 iaGA9l<b
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| wu
<0or2
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ,jU>V]YC
ZmA}i`
struct holder Tz
@<hE
{ S%SYvA
// u$ts>Q;5
template < typename T > -hd
T & operator ()( const T & r) const L.n@;*
{ i~@gI5[k+
return (T & )r; ^e:z ul{;]
} ,K5K?C$k
} ; H.5
6
m=l>8
这样的话assignment也必须相应改动: (tK_(gO
sh/,"b2!P
template < typename Left, typename Right > |G j.E
class assignment K#3^GB3P
{
:1'
Left l; L+t
/
E`
Right r; 26V6Y2X
public : T(!1\ TB
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} r~b.tpH
template < typename T2 > a>4/2#J
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Dri6\/0
} ; qe]D4K8`Q3
_i=*0Q
同时,holder的operator=也需要改动: UZdnsG7
K\xz|Gq
template < typename T > WowKq0sn
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const h ldZA
{ c`E>7Hjr-
return assignment < holder, T > ( * this , t); #MC#K{Xd
} &;Ncc,jb
K,4Ig!
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 z#{Y>.b
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 FZ*"^=)`G
I4Do$&9<D
return l(rhs) = r; CD1Ma8I8
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。 7qC
/a
c
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ib,`0=0= O
757&bH|a
template < typename Tp > NlYuT+
class constant_t KOixFn1
{ =?]`Xo,v~
const Tp t; lMv6QL\>'
public : L*0YOE%=]
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Q%CrB>|@
template < typename T > HT7,B(.}
const Tp & operator ()( const T & r) const !t% 1G.
{ P|NGAd
return t; yQJ0",w3o.
} V_i&@<J
} ; Tzd#!Lvm:,
~-"CU:$o
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 h;=~%2Y
下面就可以修改holder的operator=了 F:zmO5L5
=Jp:dM*
template < typename T > O%t? -h
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const =
MByD&o`
{ QPuc{NcB>
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); O>E}Lu;|
} {-)^?Zb
@
R0t!y3r&N
同时也要修改assignment的operator() ,e'r 0
/#9P0@Y
template < typename T2 > uc9h}QJ*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 9>{fsy
现在代码看起来就很一致了。 `;mgJD
h-p}Qil,
六. 问题2:链式操作 J;sQvPHV8
现在让我们来看看如何处理链式操作。 7 [e-3
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。 NSVE3
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。 " ILF!z
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。 Xl=RaV^X"
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct $YJ 1P
QRQ{Bq}#
template < typename T > UDHOcb
struct result_1 &5}YTKe}|
{ 1_7p`Gxt[/
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; x@X2r
} ; Boj R"
&n*ga$Q
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: E}Cz(5
,RV>F_
template < typename T > !S~)U{SSK
struct ref D)MFii1J~
{ (jKqwVs.:
typedef T & reference; Az8b_:=
} ; cO:lpsKYQ
template < typename T > ;9~YQW@|
struct ref < T &> IAA_Ft
{ F]RPM(!5O)
typedef T & reference; tk0m[HN@eV
} ; x,: k/]
Ztk%uc8_lM
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: c,#=In2
eNfH9l2k
template < typename T > 5H'Iul<Os
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ,b^Y8_ltoT
{ ;FI'nL
return l(t) = r(t); <\nM5-wR
} Tkr~)2,(I!
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。 'oz$uvX
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 !bzWgD7j
=nHkFi@D=t
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 p$F`9_bZ
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 6Takx%U
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 F=&,=r'Q8
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 v1u~[c=|^
最后的布局是: >0 7i"a
Add ;0Uat
/ \ qo:Zc`t(R
Divide 5 iwIn3R,
/ \ shGUG;
_1 3 4~Q<LEly
似乎一切都解决了?不。 5xT, O
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。 "r`2V-E
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。 O-0 5.
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: Qraq{'3
2cu2S"r
template < typename Right > _R0O9sPTO
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const qAp<OJ
Right & rt) const nUs=PD3)
{
wBlE!Pm
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); "z6p=B"?3
} o^5UHFxTCB
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 W rT_7
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。 "cS7E5-|
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。 5k=04=Iyh#
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。 G(A7=8vW
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。 Y8}y0]V
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? 9k4z__K e
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: F)=<|,b1
%X}D(_
template < class Action > XiV*d06{
class picker : public Action J*ofa>
{ Za,o
public : 0(C[][a*u
picker( const Action & act) : Action(act) {} (g dzgLHy
// all the operator overloaded 3 p -SpUvp
} ; .: wg@Z
RYl{89
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。 cEXd#TlY~X
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: <`q-#-V@
w3iX "w
template < typename Right > n\7>_
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const zWN]#W`
{ 0LGHSDb
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); X+;#^A3
} l d%#.~Q
aR)UHxvX
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > iyR5mA
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。 g}?39?o4
8eCh5*_$
template < typename T > struct picker_maker sj+ )
{ H>\lE2
typedef picker < constant_t < T > > result; u3cg&lEgT
} ; F&k<