一. 什么是Lambda ~L4L|q 7
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 w+u1"
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, ckYT69U
uN4e n,
H/y,}z
G%ZP`
class filler DY\~O
{ {zalfw{+
public : $!$,cKPl5
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} e}+Zj'5
} ;
]0XlI;ah
m/3,;P.6
01~
nC@;
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: ~REfr}0
zGNmc7
hp`ZmLq/[
i1ScXKO
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); d ehK#8
ey6ujV7!
h[mJ=LIrg
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 <eZ*LK?
c \;_jg
t.#ara{
{&J~P&,k
二. 战前分析 \ CX6~
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。 "W~vSbn7
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 /;kSa}"Q
fejC,H4I
RO@=&3s
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); q~^!Ck+#*
/* --------------------------------------------- */ ]GO=8$Z
vector < int *> vp( 10 ); mVFo2^%v
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); "8R
&c}
/* --------------------------------------------- */ bjo}95
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); loC~wm%Ql
/* --------------------------------------------- */ LmytO$?2(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); s94*uZ(C/
/* --------------------------------------------- */ o7s!ti\G
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); C57m{RH
/* --------------------------------------------- */ PW82
Vp.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); rzs-c ?
'/)qI.
:yRv:`r3Lt
)*`h)`\y
看了之后,我们可以思考一些问题: C T\@>!'f
1._1, _2是什么? {xH?b0>
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。 lh[?`+A
2._1 = 1是在做什么? uaz!ze+
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。 i4]oE&G
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。 On54!m
YRo,wsj
6oKdw|(Q#
三. 动工 ~d].<Be
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: .!Pg)|
tJybR"NQ
%pxO<O
Ij$C@hH
template < typename T > aZ+><1TD
class assignment !sSq 4K
{ 2:_6nWl
T value; WN<g _8QR
public : ^5.XQ0n
assignment( const T & v) : value(v) {} z~ywFk}KGd
template < typename T2 > Z %Ozzp/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } yIrJaS-
} ; IvT><8<G
?C#E_
u*TC8!n
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 R(`:~@3\6
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 76wNZv)9
A4'5cR9T!
ICvV}%d
ZZ7qSyBs?
class holder 0/b
_T
{ u '7h(1@
public : t*=[RS*
template < typename T > Y}1c>5{bE
assignment < T > operator = ( const T & t) const TI8r/P?
]V
{ !t^DN\\#
return assignment < T > (t); G$>QH-p
} aPVzOBp
} ; sVK?sBs]
u0c}[BAF
8 {V9)U
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: z@i4
-}9^$}PR
static holder _1; NS~;{d\
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 1|(Q|
+yp:douERi
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .VCY|KZ
而不用手动写一个函数对象。 "FWx;65CR
k~^4
I I+y
D &"D[|@
四. 问题分析 du66a+@t
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 _cX}!d!j
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 3R3H+W0{
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 kFv*>>X`
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 IWQ0I&tzdx
下面我们可以对这几个问题进行分析。 e@Lxduq
y|2<Vc
五. 问题1:一致性 AJ bCC
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 5 wrRtzf
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Lwr's'ao.
94rSB}b.O
struct holder z3jkxWAZ
{ N/bOl~!y
// mdWA5p(
template < typename T > vR!+ 8sy$
T & operator ()( const T & r) const DB5J3r81
{ zj1~[$
(
return (T & )r; x
b"z%.j
} eQuu\/z*H
} ; jYHn J}<
]YgR
这样的话assignment也必须相应改动: i6WH^IQ M
/MGapmqV9
template < typename Left, typename Right > \c<
oVF'
class assignment -&Z!b!jN
{ eDJnzh83
Left l; >}+{;d
Right r; N1a]y/
public : fp)SZu_*
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} b/M/)o!C
template < typename T2 > yQ$irS?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } D&G6^ME
} ; {821e&r
YThVG0I =
同时,holder的operator=也需要改动: 'J,UKK\5
!8H0.u
rw
template < typename T > ^kKLi
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Q@ VA@N=w
{ V<QpC5
return assignment < holder, T > ( * this , t); X:GRjoa
} y, l[v39
6g|,]{
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 @t%da^-HS"
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 uf6egm5]
:Y99L)+=/
return l(rhs) = r; 6] x6FeuS
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 d@Z DIy
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: aTvyzr1
s41%A2Enh
template < typename Tp > Y&6jFT_
class constant_t [vi
=^
{ D!`[fjs6A
const Tp t; y\FQt];z)
public : Wg|6{'a
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} *~PB
template < typename T > 56Wh<i3
const Tp & operator ()( const T & r) const |
.jWz.c
{ o?a2wY^_
return t; C*YQ{Mz(f
} {!I`EN]
} ; D?KLV_Op
QbJ7$, 4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 LphCx6f,X
下面就可以修改holder的operator=了 fzJiW@-T
rmjuNy=(
template < typename T > u>'0Xo9R
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 4Wl`hF
{ ie1~QQ
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Xe4
} 4 $k{,
gW~YB2 $
同时也要修改assignment的operator() )u(,.O[cw
l"J#Pvi
template < typename T2 > ~BI`{/O=
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } C^$E#|E9 N
现在代码看起来就很一致了。 27Gff(
rO}1E<g
(
六. 问题2:链式操作 Yup#aeXY/
现在让我们来看看如何处理链式操作。 5YrzOqg=
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。 X!hzpg(`hR
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。 6GuTd
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。 H ezbCwsx&
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct $}4ao2
remc_}`w
template < typename T > >FeCa
hFn
struct result_1 @Mya|zb
{ 5B%KiE&p
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 'z91aNG]
} ; _E9[4%f
,L%]}8EL"
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: d\-*Fmp(S
-[*y{K@dh
template < typename T > n%WjU)<
struct ref K7s[Fa6J
{ mBL?2~M
typedef T & reference; $JOtUB{
} ; e=##X}4zZ
template < typename T > I`+,I`~u
struct ref < T &> |QZ
E
{ fbM>jK
typedef T & reference; /QB;0PrE
} ; oHfr
glGX
J<0sT=/2$
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: I>8_gp\1
}x|q*E\
template < typename T > [kkhVi5;A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const SDbkPx
{ jjrE8[
return l(t) = r(t); IPTFx
)]G
} ;0|:.q
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。 .Tl,Ek(
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 S5gBVGh
{ Mf-?_%
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 XlX t,
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: F7<u1Rx]
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 W$7H "tg
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 K20Hh7cVJ
最后的布局是: b*tb$F
Add J3'q.Pc
/ \ G'Wp)W;])\
Divide 5 3
[#Rm>,Vu
/ \ @8w[Z o~
_1 3 :W>PKW`^
似乎一切都解决了?不。 o;
6^:
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。 iW2\;}y
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。 \HrtPm`e
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: 8*Fn02 p
"Uf1;;b
template < typename Right > /]0SF_dZ
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const &E6V'*<93
Right & rt) const LB({,0mcX
{ ;,uATd|
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); GJ`._ju
} s1sn,?
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 T#6g5Jnsp
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。 `<P:ly.
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。 LN.*gGl
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。 LPs5LE[Pm
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。 *:+ZEFMq
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? KT 6ppo
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: hi(e%da
1he5Zevm}
template < class Action > pd`m//G
class picker : public Action l{]KA4
{ :.=j)ljTx
public : C[jX;//Jiu
picker( const Action & act) : Action(act) {} h{zb)'R
// all the operator overloaded b>i5r$S8G
} ; *"Iz)Xzc`
liy/uZ
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 a[z$ae7
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: IG\Cj7{K^
?F!c"+C
template < typename Right > q7_Ttjn-DV
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const A)j!Wgs^z
{ 4^YE*6z
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?WqaT) l~
} SO STtuT
-F*vN'
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > _!vy|,w@e
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。 <]DUJuF-M
f9},d1k
template < typename T > struct picker_maker ^A=tk!C
{ XjP;O,x
typedef picker < constant_t < T > > result; .9r85
} ; l\Ww^
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > b$Dh|-8
{ 3HuGb^SNg
typedef picker < T > result; <Uj9~yVN]
} ; Ya!%o> J%t
:?y Ma$
下面总的结构就有了: .,#H]?Wil
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。 _/%,cYVc8!
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。 Y6)o7t
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ,LSiQmV5
至此链式操作完美实现。 [eOv fD
/K1cP>oE
wsH _pF
七. 问题3 U1lqg?KO
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。 R?9x!@BV
W\w#}kY
template < typename T1, typename T2 > 0WSZhzNyY
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const /Yg&:@L
{ s0D4K
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); kcg\f@d$
} M3|G^q:l
~Fwbi
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: )$df6sq
|KS,k|).
template < typename T1, typename T2 > 0x]?rd+q8Q
struct result_2 =8<~pr-NO
{ NV9JMB{q
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; g|$;jQ\_
} ; C&*1H`n
w7Y@wa!
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? > l0H)W
这个差事就留给了holder自己。 udLI AV*
Hk h'h"_r
S7PWP<9
template < int Order > 6W=V8
class holder; oo7}Hg>
template <> 2ag8?#
class holder < 1 > 3z2
OW@zL$
{ xb9+- {<J
public :
\( #"g
template < typename T > o,*D8[
struct result_1 uh2_Rzln
{ dpNERc5
typedef T & result; [?KGLUmTAI
} ; 7dACbqba
template < typename T1, typename T2 > h3 XSt
struct result_2 bP#!U'b" =
{ =D Q:0w
typedef T1 & result; 8j3Y&m4^
} ; &s(&B>M
template < typename T > 0.n[_?<(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1nskf*Z
{ GjHR.p?-
return (T & )r; u YT$$'S
} }F _c0zM
template < typename T1, typename T2 > LjG^c>[:m
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const @y`xFPB
{ l$/lbwi%
return (T1 & )r1; '= fk;AiQ
} er)I ".|
} ; .)!QsBU
`;;l {8
template <> G,|!&=Pe|E
class holder < 2 > o5F:U4sG
{ &EQhk9j
public : #H>{>0q
template < typename T > qVE0[ve
struct result_1 TI<
x;p
{ *<