一. 什么是Lambda Uop`)
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 EYD24
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, 1r LK1X
Q^k\q
;bhD:$NB X
z IT)Hs5
class filler g`9`/
{ ev"f@y9Do
public : Z_.xglq{
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |b'}.(/3i
} ; rZSD)I
0c6Ea>S[
U1^3 &N8
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: !5XH.DYq!
M!)~h<YL
#M~6A^)
Hru~Y}V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); wXKg^%t\
k ^(RSu<
d$T856
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 B9h'}460H
2{;~Bgd
0hr4}FL8
dn}'B%
二. 战前分析 VkJBqRzBOa
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。 ;5PBZ<w
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 sf5 F$
~,O&A B
cy
@",z
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); %-J}m
/* --------------------------------------------- */ ;:A/WU.^
vector < int *> vp( 10 ); 3s
B9t X
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); .TpM3b#r
/* --------------------------------------------- */ /=IBK`
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); &~{0@/
/* --------------------------------------------- */ IJ E{JH
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); yYN _]&ag
/* --------------------------------------------- */ _k O<|ev
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); \;bDDTM
/* --------------------------------------------- */ 8qF OO3c\V
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); *1c1XN<7
e61e|hoX\
'?)<e^
]7DS>%mY(
看了之后,我们可以思考一些问题: Yx"un4
1._1, _2是什么? ]b'"l
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。 gO%oA} !i
2._1 = 1是在做什么? p|9Eue3j2
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。 %s*F~E
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。 .6HHUy
$3)Z>p
e.VR9O]G
三. 动工 q:ah%x[
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: s)9d\{
O~DdMW
}>$3B5}
sX[k}=HCK
template < typename T > u%b.#!
class assignment PSREQK@}E
{
-?vII~a9y
T value; Bm4fdf#A]
public :
SodYb
assignment( const T & v) : value(v) {}
ow2tfylV
template < typename T2 > 'Hv=\p4$1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } teX)!N [
} ; wzf%~ats
L <W2a(
n=qu?xu
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 iOXsj
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment hZwJ@ Vm#
%R m`+
>eM>Y@8=
A3eus
class holder b`&
:`
{ &3CC |
public : 6BH
P#B2j
template < typename T > @5tGI U;1
assignment < T > operator = ( const T & t) const %Fp1c K
{ p,K!'\
return assignment < T > (t); JDP /vNq
} D/&nEMp6
} ; T0v{qQ
G7SmlFn?
;GV~MH-F
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: QA=mD^A
GD@|XwK){
static holder _1; RGe2N|
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ,%d?gi"&
fVo7wp
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bvF-F$n%F
而不用手动写一个函数对象。 u#)ARCx ,w
6Ij'z9nJw
AR3v,eOs
9^g?/8
四. 问题分析 I4(z'C
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。 2F#DJN#
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。
1
.Nfl@]
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 >SHP,><H/
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 X[J?
下面我们可以对这几个问题进行分析。 bwyj[:6l
z$Z{ LR
五. 问题1:一致性 \'.|7{Xu
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?| s6(bTO.
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 p5`={'>-
AQjf\i
struct holder TxP8&!d
{ _"h1#E
// ICD;a
template < typename T > $SfYO!n7Q
T & operator ()( const T & r) const /pQUu(~h_
{ ,d@FO|G#pt
return (T & )r; VI k]`)#
} H> Q
X?>j
} ; b*TQKYT
`h='FJ/!
这样的话assignment也必须相应改动: ;.{J>Q/U,
j]'ybpMT"
template < typename Left, typename Right > l]~mB~
class assignment 71G\b|5
{ fb?YDM
Left l; >)6k)$x%%
Right r; su0q 2.
public : JmF:8Q3H
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {}
]/[$3rPwZ
template < typename T2 > IN?6~O
p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ~nRbb;M
} ; i;fU],aK!
E~
+g6YlT
同时,holder的operator=也需要改动: ub9,Wd"^
T;sF@?
template < typename T > :=?od
0]W
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 9s&dN
{ MeDlsO
return assignment < holder, T > ( * this , t); CPci
'SO
} MnTqWC90
;(
[^+_/
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。 tvcM<
e20
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 D]?yGI_
F*p@hl
return l(rhs) = r; V6kJoSyde
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。
*]*0uo
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Xq%ijo
"@UyUL
template < typename Tp > Dd'J"|jF38
class constant_t pcNpr`
{ >l^[73,]L
const Tp t; z-JYzxL9
public : "L+NN|
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} J[al4e^
template < typename T > #L+ZHs~
const Tp & operator ()( const T & r) const "{x+ \Z\
{ 1s-=zs
return t; "Bl6)qw
} =3|5=ZU034
} ; ?U3~rro!
]iry'eljy
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 <lP5}F87
下面就可以修改holder的operator=了 >!PCEw<i
p%-;hL!
template < typename T > g3TqTs
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const uJU;C.LX
{ TJUYd9O4[
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); PQXCT|iJ
} an)Z.x
Zp+orc7
同时也要修改assignment的operator() Cuc+9
7_`_iymR
template < typename T2 > juEH$7N!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } lyw)4;wt\
现在代码看起来就很一致了。 gg@Ew4L&
s&M#]8x;x
六. 问题2:链式操作 r#(*x 2~,
现在让我们来看看如何处理链式操作。 i QvqifDmh
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。 M3s:B& /
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。 ,U.|+i{
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。 <~
?LU^
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 4F,RlKHBl
c/}-pZn<
template < typename T > nU/x,W[}
struct result_1 |?\2F
{ XGAR8=tic
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; uQ3W =
} ; Ygc.0VKMR
8Ud.}<
Zi
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: Q1RUmIe_&
KouIzWf.
template < typename T > <G#Q f|&
struct ref nG7E j#1
{ <x1,4a~
typedef T & reference; #YK=e&da
} ; Rts.jm>[
template < typename T > I@ D<rjR
struct ref < T &> Qn \=P*j
{ Z9zsvg
typedef T & reference; &:#"APX
} ; )JOo|pr-K
C,$7fW{?
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: xG|lmYt76
gW^0A)5
template < typename T > OySn[4`(i
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const e?<$H\
{ TE-(Zil\
return l(t) = r(t); ;RS^^vDm
} f<vZ4 IU
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。 /gP"X1.
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 m0 ]Lc{
9,$
n6t;
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 y-_IMu.J`
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 4YA1~7R
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 !-tVt
D
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 K}QZdN']
最后的布局是: @gi / 1 cq
Add E+P-)bRa
/ \ QLb!e"C
Divide 5 95*=&d
/ \ 7upN:7D-
_1 3 `FByME
似乎一切都解决了?不。 bf/z
T0
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。 Xbc:Vr
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。 ;M5]XCPk
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: P]H4!}M
vY]7oX+
template < typename Right > C:RA(
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const \iAs
Right & rt) const :U6Q==B$_
{ 8>'vzc/*>
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 7*@BCu6
} V-lp';bD
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 yK w.69.
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 `Gh#2U
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 ,p6o "-
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ^`f qK4<
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 G],W{<Pe
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? |t_SN,)dd
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: Q\aC:68
),I g u
template < class Action > AizLzR$OG
class picker : public Action JxlZ,FF$@
{ lz(}N7SLa
public : nw=:+?
picker( const Action & act) : Action(act) {} |\N))K-2D
// all the operator overloaded du&9mOrr
} ; 6,(S}x
YDZ
lGX8kAv?
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 K*N8Vpz(
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: [q~3$mjQ
3PEW0b*]Pf
template < typename Right > "BvDLe':
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 5c1{[
{ 8YO` TgW
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); +[Q`I*C
} ML7qrc;Rx
K&up1nZ@(
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > h%! ,|[|
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。 -Hg,:re2
gCM(h[7A
template < typename T > struct picker_maker YRU#/TP
{ _s+_M+@et
typedef picker < constant_t < T > > result; xn}HB
} ; 3 H`ES_JL
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > J:0`*7
{ U8 n=Ro
typedef picker < T > result; 9.Yn]O
} ; .> ^U
mM
0f"la=6
下面总的结构就有了: >(a[b@[K
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。 1Wz5Iv#Ez
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。 **F-#",
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 I1W~;2cK
至此链式操作完美实现。 <Gz* 2i
NQ,2pM<*-
F`57;)F
七. 问题3 >H,PST
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。 p&ZLd`[
*zWf8X
template < typename T1, typename T2 > j4E`O%@^
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const V0y_c^x
{ x_#'6H\1ga
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); bOK0^$k
} +6f[<^K#
z}2
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: CwsC)]{/o
ig4mj47wJ
template < typename T1, typename T2 > /0 86qB|
struct result_2 yVH>Q-{
{ ;D}E/'=
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; lA,*]Mr~
} ; RNb" O{3
I1!m;5-c9k
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? HQV#8G#B
这个差事就留给了holder自己。 E*8).'S%k
4?l:.\fB:
;% 4N@Z
template < int Order > c)zwyBz
class holder; Z)G@ahOQ
template <> JvM:x y9
class holder < 1 > E 7"`D\*
{ "^5 %g%
public : :tX,`G
template < typename T > idNg&'
struct result_1 Ui}%T]
{ R9InUX"k
typedef T & result; ?$%2\"wX~7
} ; E~1"Nh
template < typename T1, typename T2 > cB}6{c$_sW
struct result_2 H`NT`BE
{ 6='x}Qb \H
typedef T1 & result; #)( D_*
} ; \(ju0qFqH
template < typename T > 9^^:Y3j
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Il$Jj-)
{ 8Oo16LPD
return (T & )r; nH|7XY9"
} g UA_&_
template < typename T1, typename T2 > !k8j8v&
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const M[?0 ^ FBx
{ "sUmk e-#
return (T1 & )r1; y\<