一. 什么是Lambda SJP3mq/^K
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 9:@Xz5
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, H}~K51
P!f0&W
`mteU"{bx
z4BU}`;b3t
class filler D`^wj FF
{ J i@q7qkC
public : na
$MR3@e
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} c]x-mj =
} ; WcSvw
T.I'c6|
98u@X:3
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: ej_u):G*
\8C<nh
meV Z_f/
0'F/z%SMj
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); )=}qAVO8
vd#)+
$*X?]?
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 w=_^n]`R
X);'[/]E*
/d|:
"ADI.
二. 战前分析 08jk~$%
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。 jRiMWolLv
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 z@e(y@
REU&8J@k&?
1SS1P0Ur
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ,rN$ah$CL
/* --------------------------------------------- */ 0U%tjYk(
vector < int *> vp( 10 ); >%`SXB&9
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); G|nBja8vm
/* --------------------------------------------- */ 7{M&9| aK
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ,(h-
/* --------------------------------------------- */ <ivG(a*=]
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); UmpHae
/* --------------------------------------------- */ l*hWws[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ]XlBV-@b
/* --------------------------------------------- */ RTd,bi*
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); aTm R~k
$LuU
sM)1w-
aKW-(5<JW
看了之后,我们可以思考一些问题: pe,y'w{
1._1, _2是什么? M __S)
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 q,7W,<-
2._1 = 1是在做什么? cX1?4e8
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 7wW x 8
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 O{c#&/ .K
p9G+la~;VM
RgH 6l2
三. 动工 9 9:.j=
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ))dqC l
#'f5owk>,
k1g-%DB
!jB}}&Ii
template < typename T > 4s%zvRu
class assignment T}?b,hNl$
{ MaPhG<?
T value; F> Ika=z,
public : KY<
$+/B!
assignment( const T & v) : value(v) {} X7K{P_5l
template < typename T2 > d,i4WKp
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } h5l_/vd
} ; zobFUFx
y"Fu=
5FB3w48
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 p"6[ S
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 7~1Fy{tc
$_'<kH-eP
QYDI-<.(
5G2ueRVb
class holder [Pq
|6dz
{ )L
"Dt_t
public : !W&|kvT^
template < typename T > &'PLOyWw
assignment < T > operator = ( const T & t) const nzAySMD_
{ %sZ3Gpi
return assignment < T > (t); Zd-QZ<c";t
} &uaSp,L
} ; p[|V7K'Z
=kq<J-:#R
"IJ1b~j?
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 32j#kJ W
%(%EEt
static holder _1; lxD~l#)^ln
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 t=:5?}J.Q$
&,Rye Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Pu!C,7vUQ
而不用手动写一个函数对象。
c*[aIqj
%,S:^Rvv
^^uY)AL
1z,P"?Q
四. 问题分析 SFP?ND+7
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。 qgWsf-di=
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。 4},Y0 QXw
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ]-heG'y]{
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 =(c.8d
下面我们可以对这几个问题进行分析。 #QOb[9(Tu(
':\bn:;
五. 问题1:一致性 j:48l[;ed
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?| Bbb":c6w0
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 3$_- 0>
1csbuR?
struct holder F5UHkv"K&O
{ u1z!OofN>
// :IsJE6r
template < typename T >
6|6O|
<o
T & operator ()( const T & r) const X2np.9hie
{ 5Tidb$L;Du
return (T & )r; -
ikq#L){
} "KC3+:tm
} ; `B3YP1
mxc^IRj
这样的话assignment也必须相应改动: _39VL
s9u7zqCF
template < typename Left, typename Right > gV5mERKs
class assignment 0o.h{BN
{ 0*uJS`se6Z
Left l; oO;<$wx2t
Right r; ,>pv>)u{
public : VdL }$CX$
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ]jmZ5h#[
template < typename T2 > Sn;q:e3i{A
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } W3MH8z
} ; tKi^0vE8
7Z81+I|&8
同时,holder的operator=也需要改动: Zc9S[ivq
*unJd"<*&@
template < typename T > q6
4bP4K
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Ao9|t;i
{ 7:C2xC
return assignment < holder, T > ( * this , t); 1Zp^X:(
} SR/
"{\C
o|VM{5
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。 sR$/z9w
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 !ZN"(0#qz
V#DNcF~v]f
return l(rhs) = r; MG,?,1_ &
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 #W L>ha
v
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: <+`}:
A
,fs>+]UY3
template < typename Tp > 5PKdMEK|q
class constant_t c/G^}d%
{ 73E[O5?b
const Tp t; d]l(B+\vf
public : S'q4va"
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ]=5D98B
template < typename T > *C^`+*}OE$
const Tp & operator ()( const T & r) const Biy$p6
{ p-%m/d?
return t; 'n!Sco)C
} [PU0!W;
} ; 0 ^ $6U
8.D9OpU
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 y/Q,[Uzk\
下面就可以修改holder的operator=了 -<n]Sv;V
6\/(TW&
template < typename T > *5S~@
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const d-$/C| J
{ 7cT ~u
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); JVNp= ikK
} 8Jf4";
Lc13PTz>>g
同时也要修改assignment的operator() Z|$OPMLX
JXF@b-c
template < typename T2 > H5p&dNO
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } M!b"c4|<
现在代码看起来就很一致了。 x-=qlg&EI
THDyb9_g
六. 问题2:链式操作 2t"&>1
现在让我们来看看如何处理链式操作。 .t|B6n!
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。 G8!* &vR/
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。 +`~6Weay
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。 i6D66 E
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct SW_jTn#x
0:4w@"Q
template < typename T > dn@_\5
struct result_1 d,caO E8N
{ )*n2,n
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; xc6A&b>jI
} ; yMbg1+:
/%w3(e
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: V'&`JZK6
5]yby"Z?}
template < typename T > 0Wc8\c
struct ref &S+ooj
{ +LsACSB
typedef T & reference; H|*Ual
} ; -7:_Dy
template < typename T > $z5
struct ref < T &> &a
bR}J[
{ N.@@ebuE
typedef T & reference; :927y
} ; |#?:KvU97E
|QB[f*y5
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: >crFIkOJ
6#DDMP8;I
template < typename T > #:LI,t
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const M"Q{lR
{ 3r-oZ8/n
return l(t) = r(t); )7s(]~z
} tzV^.QWm
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 I$w:qS&:
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 X/' t1
FEwPLViso
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 '| rhm
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: R7ze~[oF
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 0l+[[ZTV
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?0J&U4
最后的布局是: !rZ r:@
Add 5Sv;a(}
/ \ *~SanL\
Divide 5 mfCp@1;26
/ \ tqXr6+!Q
_1 3 f'?FYBL
似乎一切都解决了?不。 !
n13B
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。 -fCR^`UOS
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。 ^2)<H7p
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: q)PLc{NO
R;3nL[{U
template < typename Right > bAS/cuZs
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ^Cy=L]
Right & rt) const -"uOh,G}
{ ~KP@wD~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 6%L#FSI
} IF'Tj`yD
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 =k^ d5
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。 MmQ"z_v
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。
BDfJ
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。 r%\%tz'`j
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。 / ?Hq
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? t0.71(
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: =M9;`EmC
]e6$ ={
template < class Action > 9v@P|
class picker : public Action 7A"v:e
{ d}Xb8SaE%c
public : .s-*aoj
picker( const Action & act) : Action(act) {}
!U=o<)I
// all the operator overloaded 7Fzj&!>ti
} ; H/}W_ h^^
#Q` TH<
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。 Ubm]V{7
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: J_ 7#UjGA,
21[=xboU
template < typename Right > oy\U\#k
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const unc8WXW
{ [\-)c[/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); [JYy
} sA2esA@C<o
"7J38Ej\
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > {Y|?~ha#
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。 ^h!}jvqE
*i>hFNLdOM
template < typename T > struct picker_maker 'U-8w@\Z
{ wvRwb
typedef picker < constant_t < T > > result; lYT_Y.%I
} ; pi5DDK
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 5,J.$Sax
{ @%jY
typedef picker < T > result; RTr"#[
} ; VS3lz?o?6g
+GncQs
y
下面总的结构就有了: -"rANP-UI
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 u#UtPF7q
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 p<+Y;,+
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。
Clb7=@f
至此链式操作完美实现。 w=FU:q/
NMS+'GRW
3_8W5J3I
七. 问题3 Pkv+^[(4
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 PD~vq^@Q
rl,i,1t
template < typename T1, typename T2 > @z^7*#vQv
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const |w{C!Q8l
{ md `=2l
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); p-xG&CU
} +j %y#_~
:D4'x{#H
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: P *&Cght>0
M%WO
template < typename T1, typename T2 > "'C5B>qO
struct result_2 `O5427Im
{ 7'#_uAQR
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; V"B/4v>
} ; f!H/X%F
!#zO%
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? +cM~|
这个差事就留给了holder自己。 yy+:x/(N[
dL_9/f4
6Yc(|>b!
template < int Order > |*DkriYY
class holder; G;d3.ml/aZ
template <> 0Y:)$h2?
class holder < 1 > mT #A?C2
{ z{&