一. 什么是Lambda TEd5&Z
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 BOG.[?yx
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, ".(vR7u'
D_czUM
\WE&5
9G
M.- {->
class filler ?dCwo;~
{ 4d PTrBQ?
public : d9;&Y?fp
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} &|#[.ti1
} ; 2(@2z[eKr
xwof[BnEZ
6{1=3.CL
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: {> msE }L
; /K6U
9|Jv>Ur=)2
&TQ~!ZMOR"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); il@>b
Z6i~Dy3
PD.$a-t
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 R2sG'<0B0
\j62"
5 k3m"*
/u4RZ|&as
二. 战前分析 In96H`
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ;6[6~L%K}
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 8$\j| mN
wPjq
B{!Q
ZxwrlaA
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); %N<5ST>(
/* --------------------------------------------- */ A%W]XEa<
vector < int *> vp( 10 ); )PP yJ@M
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 8e*skL
/* --------------------------------------------- */ 2RX]~}
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); b^h_`
/* --------------------------------------------- */ a- rR`
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ya8p
4N{_
/* --------------------------------------------- */ Mp|Jt
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); cE
'LE1DK
/* --------------------------------------------- */ [_(J8~va
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); @NRN#~S,_]
$5JeN{B
NknS:r&2
B=a+cT
看了之后,我们可以思考一些问题: 6Lq`zU^
1._1, _2是什么? Gd%i?(U,R
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 CE`]X;#y
2._1 = 1是在做什么? P>X[}
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 F8?2+w@P
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 '@.6Rd 8
/x ?@Mn>
fe/;U=te
三. 动工 .b3h?R*&
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ,X^3.ILz
8O'bCBhv
jL\j$'KC
OA&'T*)-A6
template < typename T > E .Xp\Dm71
class assignment M0fN[!*z
{ $kTm"I
T value; x:MwM?
public : V&nB*U&s"
assignment( const T & v) : value(v) {} SZ9Oz-?
template < typename T2 > >^jBE''
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } N<:c*X
} ; ]|CcQ1#|H
z!3=.D
mufGv%U2
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 &S{r;N5u
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment
,XEIg
3)EJws!
s`bGW1#io
6~%><C
class holder ?;CIS$$r
{ TUnAsE/J&
public : 'cpm 4mT
template < typename T > &>Ve4!i
q
assignment < T > operator = ( const T & t) const I2$DlEke
{ \
T#|<=
return assignment < T > (t); K`Kv .4
} W:RjWn @<
} ; 2~$S @c
),p0V
j J{F0o
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: LRu,_2"
rH`\UZ{cc
static holder _1; prj(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 0Gs\x
DH?n~qKpC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Nz2V aZ
而不用手动写一个函数对象。 w/*G!o-<
(2#Xa,pb
#s~;ss ,
#]jl{K\f#X
四. 问题分析 $\NqD:fgb
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。 e' l9
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。 ruGJZAhIA^
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 yk8b>.Y\A
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Ljm`KE\Q;t
下面我们可以对这几个问题进行分析。 `#ruZM066
Pb'(Y
五. 问题1:一致性 x;7l>uR
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?| Qf( A
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 T5u71C_wmt
1- s(v)cxh
struct holder 66pjWS
{X
{ Pjs=n7
// "KP]3EyPc
template < typename T > >; MJm
T & operator ()( const T & r) const Q<V(#)*
{ 61H_o7XXk
return (T & )r; l%EvXdZuOy
} AaYH(2m-
} ; !ddyJJ^a
AE77i,Xa
这样的话assignment也必须相应改动: N4ZV+
|
({j8|{)+
template < typename Left, typename Right > ?2&= +QaT
class assignment dHIk3j-!
{ Q)0KYKD+@
Left l; GmR3
a
Right r; e El)wZ,A
public : S9l,P-X`
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 0vjCSU-X
template < typename T2 > <rE>?zvm
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } +Xs E
} ; YYn8!FIe
&NBH'Rt
同时,holder的operator=也需要改动: qqw P4ceG
,kJ7c;:i
template < typename T > >O\+ 9T@
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const +u
Iq]tqe
{ _dm0*T ?
return assignment < holder, T > ( * this , t); &qS%~h%2
} F^gTID
BjfVNF;hk:
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。 I/njyV)H
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 $97O7j@
/8e}c`
return l(rhs) = r; cRf F!EV
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。 '{2]:
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: S#M8}+ZD,
,)[9RgsE
template < typename Tp > g}0K@z3
class constant_t U&#`
<R_0
{ VP
A+/5TW
const Tp t; 9\.0v{&v
public : F NPu
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} f/J/tt
template < typename T > ,7j8+p|},
const Tp & operator ()( const T & r) const wL8ji>"
{
$L= Dky7
return t; /7D5I\
} .JLJ(WM
} ; fc3 nQp7
3l?|+sU>O
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 1]:,Xa+|S
下面就可以修改holder的operator=了 M3-lL;!n
/iO"4%v
template < typename T > DKt98;
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const C<J*C0vQO
{ -E|"?
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); UH>~Y
N
} <5E'`T
ch8VJ^%Ra1
同时也要修改assignment的operator() 4uiq'-
cIw X sx
template < typename T2 > w317]-n
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ="$w8iRU
现在代码看起来就很一致了。 A.r7 ks
&b#d4p6&l
六. 问题2:链式操作 &Gh,ROo4
现在让我们来看看如何处理链式操作。 mj'~-$5T
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ltuV2.$
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。 Vx<{cHQQ
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。 ;9j ]P56
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct +=J$:/&U
Em&3g
template < typename T > 5Hu[*
struct result_1 Zeg'\&w0s
{ w3(G!:
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; /FN:yCf
} ; ~JT2el2W7p
8~O#@hB~3
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: I]eeV+U8W
>`03EsU
template < typename T > P{)D_Bi
struct ref g*b`o87PI
{ !d()'N
typedef T & reference; r:V
bjmL
} ; m[=SCH-;
template < typename T > W\>O$IX^e
struct ref < T &> 5Lc@=,/0
{ _5 SvZ;4
typedef T & reference; 7310'wc
} ; E9\"@wu[d
#-YbZ
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ?-c|c_|$
vy~6]hH
template < typename T > c-hc.i}!
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const D
1.59mHsD
{ Nmx\qJUR(
return l(t) = r(t); R_G2C@y*
} 1K3XNHF
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。 /)TeG]Xg
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 b<y*:(:
/rZk^/'
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 4S'e>:
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: o`n8Fk}i
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 P- ZvW<M
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &qWg$_Yh
最后的布局是: cV>?*9z0
Add p|-> z
/ \ T2rwK2
Divide 5 `>\
~y1
/ \ +>C26Q
_1 3 Kq")|9=d
似乎一切都解决了?不。 sP^:*B0
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。
Jy:*GW6
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。 %6(\Ki6I
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: 2T*kmDp
"*#f^/LS
template < typename Right > eWqS]cM#
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Pa{DB?P
Right & rt) const LIG@`
{ 4-[U[JJc
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5P<"I["
} ?H8w;Csq-
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 4e>f}u5
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。 ?&0CEfa?
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。 >A D!)&c
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。 e-`9-U%6
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。 XwEMF5[
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? hub]M
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: @XG1d)sE
iyCH)MA
template < class Action > x=rMjz-`_
class picker : public Action EB&hgz&_
{ MX~h>v3_R4
public : \
&|xMw[
picker( const Action & act) : Action(act) {} qWK}
// all the operator overloaded 7|=SZ+g
} ; !Dc?9W!b
e;=R8i
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。 ^kK")+K
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: Mm8_EjMp
qDGx(d
template < typename Right > NblPVxS
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const uD{-a$6z
{ ;PMPXN'z6
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); %62|dhl6
} 2Ax(q&`9
Q-h< av9
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ~uY5~Qs9G
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。 U!+O+(
hFoeVM[h
template < typename T > struct picker_maker }6LcimQyK
{ ZWyf.VJ
typedef picker < constant_t < T > > result; ]gHrqi%
} ; RoHX0
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > qK;J:GT>
{ GKg #nXS
typedef picker < T > result; JqLPJUr
} ; =S54p(>
SKf;Fe
下面总的结构就有了: Wx/PD=Sf&
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。 *9KT@"v
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。 I@N/Y{y#
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 w@P86'< v
至此链式操作完美实现。 /tkV/
.vmCKZ
@QJPcF"
七. 问题3 i`9}">7v~
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。 &gV9h>Kc#
0@'-g^PS
template < typename T1, typename T2 > 0p3) t
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const X..M!3W
{ hT=E~|O
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); O:V.;q2]U
} &K