一. 什么是Lambda 0d`s(b54;O
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 "KW\:uc /
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, =NF},j"
05DK-Wh?
>Bskw2
-YA1Uk
class filler Kdx?s;i
{ ,, ]y 8P
public : 5p94b*l
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ilayU
} ; 5^GUuFt5m
H=Yl
@
E} Uy-
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: }/(fe`7:
.4_EaQ;jX
isDBNXV:
0}PW?t76
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); K^A\S
',kYZay
Xn$]DE/r}N
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 $62ospR^Y
9j:?s;B
GZXUB0W\@)
l
K}('7\
二. 战前分析 L;fhJ~r
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 O#Xq0o
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 q^([ & +
K}`.?6O
ZaH<\`=%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); qK.8^{b
/* --------------------------------------------- */ hP`3Ao
vector < int *> vp( 10 );
7I^(vQ
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); G5"UhnOD'
/* --------------------------------------------- */ %OfaBv&
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); w;}P<K
/* --------------------------------------------- */ 2!7wGXm~U
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); UR1U; k
/* --------------------------------------------- */ HR\yJt
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); E:&=A 4%
/* --------------------------------------------- */ _D$|lk-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Ga.a"\F.V
}4#%0x`w
+7^%fX;3pW
a&.8*|w3
看了之后,我们可以思考一些问题: |"5NI'X?
1._1, _2是什么? 5z5#_*)O
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。 EXS
1.3>
2._1 = 1是在做什么? y''`73U"
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。 p8%x@%k
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。 Iy8Ehwejd
%^2LTK(P
\[B5j0vV,
三. 动工 => )l6**UE
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \n6#D7OV
9p+DAs{i
CbS- Rz:
?\(E+6tpP
template < typename T > jXSo{
class assignment c,!Ijn\;(
{ ]A5FN4 E
T value; xl5mI~n_~
public : +]Po!bN@@
assignment( const T & v) : value(v) {} CS:j->
template < typename T2 > k9.@S
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } vCFMO3
} ; `rbTB3?
7xO
=:*
crz )F"
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 i"0^Gr
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment :JV=Kt
Owo2DsT t
t*NZ@)>
=v:vc~G6
class holder }NMA($@A
{ *_!nil 3(i
public : pTprU)sa7
template < typename T > CDK0 $W n
assignment < T > operator = ( const T & t) const ;v^tUyhCb
{ i!*w'[G->Y
return assignment < T > (t); U rm&4&y
} [v^T]L
} ; CJz2.yd
5 qt]~v%y
zFN:C()ig
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: mHM38T9C%
b" 1a7
static holder _1; r.lH@}i%n
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 p3&/F=T;)
D\}^<HW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); *l)_&p
而不用手动写一个函数对象。 ?S~HnIn
dPc*!xrq
}JeGjpAcV
g"EvMv&
四. 问题分析 M/EEoK^K@
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 )iNMjg
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 9s>q4_D
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ['~3"lK^O
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 =kp#v
下面我们可以对这几个问题进行分析。 B:\\aOEj
zq>pK_WG
五. 问题1:一致性 lG I1LUo
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| Aq yR+
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Ynl^Z
!TA6- ]1
struct holder (+`pEDD{X
{ 64%P}On
// aHNR0L3$}{
template < typename T > [a:yKJ[
T & operator ()( const T & r) const ,|D_? D)U
{ (#k>cA(}
return (T & )r; ] JVs/
} 4/;hA
z
} ; k@L},Td
/BjM&v(5/
这样的话assignment也必须相应改动: lr'h
!8 lG"l|,l
template < typename Left, typename Right > "1FPe63\*O
class assignment DzydS=`w
{ ##+|zka!U
Left l; X; I:i%-
Right r; ROlef;/A
public : s6bILz-u
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ~b}a|K
template < typename T2 > K1>X%f^
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5\gL+qM0
} ; GqMa|8j
`%IzW2v6
同时,holder的operator=也需要改动: -^LUa]"E
+;^UxW
template < typename T > xP#vAR
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const m5m}RWZ#
{ !~Gx@Ro
return assignment < holder, T > ( * this , t); :)o 4fOJ8
} -sO[,
K&Ner(/X`6
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。 Rah"La
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 @ x_.
3#N'nhUzA
return l(rhs) = r; '#RzX8|v<
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。 K2$ fKju
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: kW#,o 9f\
XtY!fo*
template < typename Tp > 1N6.r:wg)%
class constant_t +Ysm6n '
{ 5pSo`)
const Tp t; W!vN(1:(
public : wNo2$>*
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ,)/gy)~#
template < typename T > (3cJ8o>&
const Tp & operator ()( const T & r) const x93h{Kf
{ Zk,`
Iq
return t; )3K# ${p
} .c__<I<G<
} ; mApn[)?tv
Tzr_K
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 p7et>;WRx
下面就可以修改holder的operator=了 =1Nz*
c
lS@0 $
template < typename T > MDV<[${
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ?YE'J~0A6
{ sZe$?k|
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); T8<pb^#
} .5L|(B=H
# &zM.O1Q
同时也要修改assignment的operator() Yc~(Wue
Z|3fhaT
template < typename T2 > (-S<9u-r
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } mm}y/dO~}
现在代码看起来就很一致了。 O2i7w1t
gJa48 pi
六. 问题2:链式操作 #b~B
0:U
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -55[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。 Lx%*IE|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。 SeuC7!q{
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。 +cH,2 ^&
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct di.yh3N$
R[_Q}W'HG
template < typename T > (~>uFH
struct result_1 C,;T/9
{ +kA>^
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; I=aoP}_
} ; 6/-]
(rKyX:Vsy
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: {!RDb'Zp
J?6.yL;
template < typename T > 7Qdf#DG
struct ref /x%h@Cn!
{ %MG{KG=&o
typedef T & reference; /q|r!+
} ; ` wI$
template < typename T > BF^dNgn+%K
struct ref < T &> MzEeDN
{ m(>MP/
typedef T & reference; UY>[
} ; [U5@m]>^
JJ:p A_uX
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: KA
$jG{yq
rX7GVg@H
template < typename T > 5D]3I=kj
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Lql2ry$Wa
{ ^aG$9N<\
return l(t) = r(t); e
p jb
} } 6 ,m2u
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 n[S-bzU^t
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 \;XDPC j
./]xn
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 Q};n%&n&
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: fe!eZiE
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 J.EBt3
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 p9>{X\eT:
最后的布局是: ^fiJxU
Add GLO%>&
/ \ y+\kZIqX
Divide 5 C/$bgK[ev
/ \ s5bqS'%
_1 3 r'J="^k{
似乎一切都解决了?不。 O]4v\~@-j
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。 X<%`
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。
K}t=Y
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: ag V z
1Clid\T,o
template < typename Right > uTShz3
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const V`
T l$EF
Right & rt) const LC1WVK/
{ zqHG2:MN"
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); >jU25"XI[
} 0g2?
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Iuyq!R4:7
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 }/w]+f*
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 m?<^b_a}
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 d*YVk{s7V
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 {+~ JTrp
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? -uKTEG[
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: |}7!'f\M
]'NL-8x">
template < class Action > DsB30
class picker : public Action 57fl<IM
{ z!M #
public : I4|LD/b
picker( const Action & act) : Action(act) {} jn
5v
// all the operator overloaded eJ*u]GH U
} ; t$Bu<frQ
`q9n`h1
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。 8J#U=qYei
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: /[=Yv!
ZaBmH|k
template < typename Right > qzj.N$9]
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +v2)'?BS
{ ^w!1QH0:/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _/czH<
} sYq:2Wn>8Q
yV~TfTJ
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 3'Hz,qP
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 +CVB[r#hu
M}!
qH.W
template < typename T > struct picker_maker Z0/$XS9|h;
{ |KR8=-!7
typedef picker < constant_t < T > > result; lak,lDt]
} ; ~.tl7wKkR/
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > \.aKxj5
{ 4tEAi4H|`@
typedef picker < T > result; csd9[=HW/Q
} ; eZoAy[
<NEz{ 1Z
下面总的结构就有了: 85f:!p
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。 5DpvMhc_
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。 !kG |BJ$j
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 naro
至此链式操作完美实现。 v.&c1hK