一. 什么是Lambda A8uVK5
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 CG Y]r.O*
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, i{`FmrPO~
o<COm9)i
Mxyb5h
gW)3e1a
class filler Yu)NO\3&
{ BJM.iXU)[
public : '8!YD?n
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} $$Oey)*
} ; Y
}$/e
$~VRza 8Q
Y2n!>[[.
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: {`LU+
6p?,(
Tn*9lj4
:.Jf0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 3I)VHMC
*K|W
/'_&
E"qRw_
~t
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 xJ>fm%{5
'ig&$fz b
5*l T.
'gC_)rK*
二. 战前分析 V@zg}C|e
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。 mRL"nC
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 }001K
X-6de>=
pR(jglm7-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); }+.}J
/* --------------------------------------------- */ \fG#7_wt
vector < int *> vp( 10 ); "e.jZcN*
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); d:BG#\e]v
/* --------------------------------------------- */ Jm xH"7hTE
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); B:'J`M"N
/* --------------------------------------------- */
^
DaBz\
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); s/$?^qtyC
/* --------------------------------------------- */ |bTPtrT8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); NW]Lj>0Y
/* --------------------------------------------- */ '[AlhBX
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); R3x3]]D
\MyLc/Gh5
oI
}VV6vO
yv t.
看了之后,我们可以思考一些问题: $"+djI?E9
1._1, _2是什么? 't:;irLW.
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 IpYM;tYw&
2._1 = 1是在做什么? 7m4aoK
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 i3tg6o4C
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 FHj"
nB
.~~nUu+M
C 3^JAP
三. 动工 ] eotc2?u
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: s'!Cp=xQF"
BmbyH{4
@$ne{2J3
(?n=33}Ci
template < typename T > ??^5;P{yx
class assignment J%u=Ucdh
{ CDsSrKhx
T value; $Q &lSVQ
public : NCiW^#b
assignment( const T & v) : value(v) {} 6 eLR2
template < typename T2 > T-.%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 7I&&bWB
} ; Px4)>/ z,
6</xL9#/
EAT"pxP
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 {#ZlM
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ,k24w7K%d
qB5j;@r
Ur9?Td'*>
"Lzi+1
class holder ,c;Kzp>e
{ xcd#&
public : bWH&P/>
template < typename T > Z_$%.
assignment < T > operator = ( const T & t) const QA<
Rhv,
{ z6U\axO6
return assignment < T > (t); urbp#G/>
} MV5 _L3M
} ; CNih6R
B-xGX$<z
caU0\VS
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: 3DzMB?I
m}C>ti`VD
static holder _1; y`VyQWW
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 YJ^]
u}
lNz7u:U3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); B~6&{7xc%
而不用手动写一个函数对象。 *F+KqZ.2
6^V=?~a&z
P0SQr?W
02f~En}>6
四. 问题分析 IshKH-
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。 p#&h=,W}
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。 lsJSYJG&
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 oQLq&zRH`f
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 h`]Iy
下面我们可以对这几个问题进行分析。 rx'RSo#1O
iIvc43YV%
五. 问题1:一致性 rxe>}ZO
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?| ],>@";9u"
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 o15-ZzE-
ot,jp|N>f~
struct holder v]'ztFA
{ :yL] ;J
// Cw
iKi^m
template < typename T > ({
8-*
T & operator ()( const T & r) const O_2pIbh
{ DjCqh-&L
return (T & )r; Qk0R a_
} "LHcB]^<
} ; ?274uAO'
g%ndvdb m
这样的话assignment也必须相应改动: ]S&&|Fc
j?A/#
template < typename Left, typename Right > ls?~+\Jb
class assignment e
h&IPU S
{ T] R|qlZ
Left l; 0m7Y>0wC6T
Right r; OPetj.C/a
public : bH-ub2@qO
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ^7>3a/
template < typename T2 > N/[p <
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 9
3U_tQ&1?
} ; IrR7"`.i
&LmJ!^#
同时,holder的operator=也需要改动: Bp*K]3_
d)B@x`
template < typename T > :lX!\(E2
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const TIx|L
{ Y_Eb'*PY
return assignment < holder, T > ( * this , t); qsF<!'m7`
} o=u3&liBi
G
!<Z.]
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。 PUz*!9HC
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 /Y*WBTV'
D_?K"E=fw
return l(rhs) = r; ];} Wfl
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。 .v]IJfRH*
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: }Dp*}=?E
x9NEFtqjm
template < typename Tp > y6@0O%TDN
class constant_t 8{Q<N%Jnu
{ -Q2, "
const Tp t; rjl`&POqc
public : A_n7w
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} sJ\BF
template < typename T > +[Dj5~V
const Tp & operator ()( const T & r) const []x#iOnC&
{ rI{=WPI&WU
return t; d[[]PX
} -)s qc
P
} ; *RT>`,t/
::o lN
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 du+y5dw
下面就可以修改holder的operator=了 X#d~zk[r2
agkA}O
template < typename T > O[# 27_dH
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const X$%'
{ sPd Gw~{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); z+x\(/
} "X2 Vrn'
"BD~xP(
同时也要修改assignment的operator() z|fmrwkN'$
;V@WtZv
template < typename T2 > ADZ};:]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } EQ2#/>
现在代码看起来就很一致了。 I6~pV@h^=
8'n/?.7cX
六. 问题2:链式操作 0WT{,/>
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Yv
hA_v
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。 OtSL*'7>
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。 )_a~}
U]=.
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。 |}23>l7
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Mc#*wEo)8
'"y|p+=j:
template < typename T > c?P?yIz6p
struct result_1 pa#d L!J
{ 33jovK2
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; L Y6;.d$J
} ; =,%CLS,6w
~+bv6qxg]\
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 1[kMOp
0$_oT;{8
template < typename T > VQY&g;[d
struct ref CQwL|$)]Y
{ m#ZO`W
typedef T & reference; g wz7krUTe
} ; ~n[d4qV&
template < typename T > )=\#UE+W
struct ref < T &> x? ?pBhJH
{ s?zAP O8Sz
typedef T & reference; }>)@WL:q
} ; <$6QDfa#
$=5=NuX
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: yvgrIdEP
IC6gU$e
template < typename T > i.=w]S
j
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const "+\ lws
{ @lCJ G!u
return l(t) = r(t); tBNoI
} $jm>:YD
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 tyfTU5"x
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 7Q7-vx
R-NS,i={
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 aaKN^fi&
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 76V
6cI=+
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 fR)m%m
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?s\
OUr
最后的布局是: ?9 ! Z<H
Add |X,|QC*7?
/ \ ikSF)r;*t
Divide 5 9Rn?
:B~W:
/ \ baJxU:Y=p
_1 3 5~Cakd]>
似乎一切都解决了?不。 b3S.-W{p.
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 rSxxH]-
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 CSGz3uC2D
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: !_+8A/
_$wmI/_JM
template < typename Right > gzBy?r> r
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const u$*56y
Right & rt) const *.~6S3}
{ "]oO{'1X
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 6el;Erp
} =8r 0 (c
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 %|^OOU}
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。 2-=\~<)
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。 )uK{uYQl
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。 \Y|~2Ls8tu
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。 S-7'it!1
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? |+35y_i6
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: Z|_K6v/c
@HRC\OG
template < class Action > Zm"{V iv]
class picker : public Action /n5F(5<
{ <&&SX;
public : 2<`.#zIds
picker( const Action & act) : Action(act) {} {%VV\qaC
// all the operator overloaded J4"mK1N(
} ; by'DQ 00
t~E<j+<2B
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。 bHhtd_}
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: +2K :qvzZ
$we]91(::
template < typename Right > M
t*6}Cl
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const e$u4vC~
{ ~6pr0uyO`
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Py>{t4;S
} %/c+`Wd/l$
%.<H=!$
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > :9R=]#uD
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。 ew;ur?
uGwJK`!~
template < typename T > struct picker_maker -pU|hSW*b
{ P7 ]z
typedef picker < constant_t < T > > result; v?0r`<Mn
} ; )mJf|W!Z#
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 6ns! ~g@
{ R64!>o"nED
typedef picker < T > result; c9\2YKo
} ; \":?xh_H
9prU+9
下面总的结构就有了: %*o8L6Hn
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。 kW`r= u
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。 X*g(q0N<S
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 W(25TbQ
至此链式操作完美实现。 Zes+/.sA}]
&SAH2xR
!Oj)B1gc6&
七. 问题3 X; 5Jb
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。 )jCo%P/
< AI;6/
template < typename T1, typename T2 > f`8OM}un&
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const H{?9CxYa
{ 6cdMS[_SD(
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); `^(jm
} v!42DA)
Y4F6qyP)"
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: !ph" mf$-
Uw/l>\
template < typename T1, typename T2 > E RdL^T>
struct result_2 nRb^<cZf
{ R0;efD
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 0@5E|<