一. 什么是Lambda 1jd.tup
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 {"O-/*
f+(
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, r(<91~Ww
3gv?rJV
6n
H'NNS:J
~I]aUN
class filler WLH ;{
{ F(w<YU%6
public : f'Rq#b@
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} d"S\j@
} ; _p<wATv?7t
%&wi@ *#
7wHd*{^9N
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: h~q5GhY!9
qAt#0
CHDt^(oa!B
eWXR #g!%>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Wr+1e1[
RtEx
WTc
i]& >+R<6
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。
I p|[
=FQH5iSd
f DPLB[
.f|)od[
二. 战前分析 QiaBZAol
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。 ktM7L{Nz
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 9TEAM<b;
J\Tu=f)
vnqLcNB H
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); TXqtE("BDl
/* --------------------------------------------- */ rpEN\S%7P
vector < int *> vp( 10 ); ycf)*0k
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 2B+qS'OT
/* --------------------------------------------- */ T%E/k#
)q
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); H%{k.#O
/* --------------------------------------------- */ :bkmm,%O
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); -X-sykDm
/* --------------------------------------------- */ }/jWa|)f
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); gI/(hp3ob
/* --------------------------------------------- */ {uxTgX
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); I(j$^DA.
u.}H)wt
<(1[n
pS&+
(Mw+SM3<
看了之后,我们可以思考一些问题: w,t !<i
1._1, _2是什么? I(b]V!mj:
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 NzS`s,N4/0
2._1 = 1是在做什么? uW4.Q_O!H
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ]$U A5/a
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。 K*M1$@5
UDPn4q
/$9We8
三. 动工 W*2P+H%
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: "YVr/u
4r#4h4`y|
"i&9RA!1
TV/ EC#48
template < typename T > BC#O.93`
class assignment (~fv;}}v
{ 4ZkaH(a1
T value; Xm<|m#
public : +]Ev
assignment( const T & v) : value(v) {} sAnb
template < typename T2 > }(K1=cEaL
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } s0DT1s&
} ; 'f8'|o)
;_0frX
$y%IM`/w
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 At&kW3(
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment cI-@nV
Cv;#8Wj}
JD9=gBN\?
N;4wbUPL7h
class holder B &3sV+
{ *a-KQw
public : %q6I-
template < typename T > #$l:%
assignment < T > operator = ( const T & t) const >` u8(
{ X2{Aa T*M
return assignment < T > (t); )[ejb?{d
} 8[#EC 3
} ; TgKSE1
V;hO1xfR3&
Uy@:-NC)kn
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: WT}xCni
un}!&*+
static holder _1; D'#,%4P,e\
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 6NQ`IC
@h(Z;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bk]g}s
而不用手动写一个函数对象。 f/"IC;<~t>
FytGg[#]
2 ]n4)vv,
WA.c.{w\
四. 问题分析 t
;fJ`.
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。 %AA-G
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。 5Ha(i [d
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 V7D<'!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 E&)o.l<h|
下面我们可以对这几个问题进行分析。 m ;wj|@cF
%CqG/ol
五. 问题1:一致性 _|#P~Ft
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?| x@D>JG
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 "BIhd*K[~
g+Y &rz
struct holder a6?t?:~|
{ n*caP9B
// 0v``4z2Z
template < typename T > o\fPZ`p-m~
T & operator ()( const T & r) const :_Iz(
2hV
{ gLlA'`!
return (T & )r;
[WXcp1p
} <RcB: h
} ; -h=wLYl@0i
]C{N4Ni^Z
这样的话assignment也必须相应改动: .N7&Jy
7^1K4%IPl
template < typename Left, typename Right > t0Inf
[um
class assignment |nU%H=Rs/
{ t{`uN
Left l; zoBp02j
Right r; r4fd@<=g
public : g[;&_gL
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} IR32O,)
template < typename T2 > {MUO25s02
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 4L r,}tA
} ; uE>m3Y(aP
TCi0]Y~a
同时,holder的operator=也需要改动: }%<cFi &
-s^cy+jd
template < typename T > D;OPsNQ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const {mLv?"M]
{ .(s@{=
return assignment < holder, T > ( * this , t); i_nUyH%b
} fc4jbPp:M
+e#(p<
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。 \"$q=%vD
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 HUbXJsSP
M7#CMLy
return l(rhs) = r; 6=x]20
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 hMgk+4*
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Fxn=+Xgg
gx2v(1?S
template < typename Tp > 3f:]*U+O
class constant_t '1d0
*5+6k
{ Hi U/fi`
const Tp t; #v4^,$k>
public : fT<3~Z>m
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} {;o54zuKf
template < typename T > [hqat'Vj,
const Tp & operator ()( const T & r) const YB4|J44Y
{ )&-n-m@E
return t; 3%u: c]-wF
} VeH%E.:
} ; .5tXwxad"
W k "_lJ
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 |aj]]l[@S
下面就可以修改holder的operator=了 COD^osM@
8jiBLZkRf
template < typename T > 5Gz~,_
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const a;(,$q3M
{ 0:x+;R<P*w
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); $U2Jq@G*
} @f-rS{
G#='*vOtO
同时也要修改assignment的operator() aw7pr464
I,V'J|=j
template < typename T2 > $>Gf;k
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } [3qJUJM
现在代码看起来就很一致了。 >f;oY9 {m
BJqb'Hjd
六. 问题2:链式操作
}}wSns
现在让我们来看看如何处理链式操作。 [mF=<G"
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。 [Uj,, y.wB
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。 :4pO/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。 (D+%*ax
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct S Z &[o&H
5^Lbc.h
template < typename T > ]agdVr^
struct result_1 f%REN3=5K
{ $<f+CtD4
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; z] |Y
} ; qLB(Th\&'
/#}%c'
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: 7/\SN04l
/ $'M
template < typename T > ])WIw'L!
struct ref RC!T1o~L
{ 6X$\:>
typedef T & reference; XLm@, A[
} ; " j:15m5
template < typename T > 3>z+3!I z
struct ref < T &> DyQvk
{ C+gu'hD
typedef T & reference; 1i Q(q\%
} ; |D8c=c%
g$8aB{)
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: "azrcC
O)r>AdLGn
template < typename T > i^/H>E%u
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const [U{RDX
{ 'b_SQ2+A
return l(t) = r(t); *Oy%($'
} ?[lKft
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。 11JO [
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 a0
w
?\a';@h
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 {dV!sQD
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: >JN[5aus
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 M5S<N_+Pe
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?QzN\fY;
最后的布局是: ~ o5h}OU"
Add `]<~lf
/ \ );^{;fLy%
Divide 5 VF9-&HuC
/ \ ||4++84{
_1 3 ,q
Bu5t
似乎一切都解决了?不。 yn{U/+
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。 ' @j8tK
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。 oF0*X$_X
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: + L#):xr
uTP4r
template < typename Right > Y FW0
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const %W$?*Tm
Right & rt) const ?^:
xNRE$j
{ ` ln=D$
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); pB,@<\l %
} iS28p
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 }5ONDg(I~
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。 N_E:?Jo
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。 {7FD-Q[tS
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。 ~Q1%DV.
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。
Pe7%
9
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? q.RW_t~
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: C6,W7M[c
lb #`f,r>
template < class Action > ,An*w_
class picker : public Action cU r'mb
{ ]F,v#6qi
public : LD}ZuCp!
picker( const Action & act) : Action(act) {} O.P:~
// all the operator overloaded $e![^I]`
} ; SyR[G*djl
+JL"Z4b@R}
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 C`C$i>X7^
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: 7o64|@ 'j
3?DM
AV
template < typename Right > 1)=sbFtS
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const imf_@_
{ XAc#ywophi
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); JxLD}$I
} p\7(IhW@
V9kL\Ys
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > GvT'v0&+
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。 E@\bFy_!>b
'B4j=K*
template < typename T > struct picker_maker !/MHD
{ 'm+)n08[
typedef picker < constant_t < T > > result; c1p*}T
} ; N{6Lvq[8
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Flzl,3rW4
{ lTpmoDa%
typedef picker < T > result; 9l:Bum)9
} ; c~+l|r=u?
~ugK&0i[2
下面总的结构就有了: efF>kcIC
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。 Y r^C+Oyg
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。 NbnuQPb'
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 #~^Y2-C#
至此链式操作完美实现。 h $}&N
j*jO809%^
I 0}+}{M:
七. 问题3 gyW##M@{
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 n/5)}( }K
HLcK d`$/
template < typename T1, typename T2 > &Q"Ox{~W
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const - ?W hJ.U
{ /Hl]$sJY
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); _S;L|1>S
} )/F1,&/N`e
s9Aq-N
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: YS5 Pt)?
29E9ZjSK
template < typename T1, typename T2 > NPM}w!
struct result_2 PO[
AP%;
{ M[R\URu8
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; !fcr3x|Y~M
} ; %Ot^G%34
wDV%.Cc
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Yg6 f
这个差事就留给了holder自己。 g2WDa'{L
wZm=h8d
I)Dd"I
template < int Order > lT3, G#(
class holder; "p~1|?T
template <> ~cSOni`
class holder < 1 > s:y=X$&M
{ *a7&v3X
public : Svo gvn
template < typename T > u;Q'xuo3
struct result_1 b;O|-2AR
{ T.zUerbO
typedef T & result; %Ln7{w
} ; 8*^Q#;^~99
template < typename T1, typename T2 > F? kW{,*
struct result_2 |8b*BnS
{ #eT{?_wM
typedef T1 & result; &