一. 什么是Lambda @z`@f"l
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 4"?^UBr
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, :$3oFN*g
\3YO<E!t
qOhO qV
1 jb/o5n;
class filler clO,}Ph>
{ %3Z/+uT@v]
public : vb{i
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 5z$,6T
} ; ,El!fgL
HfNDD|Zz
!0VfbY9C
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: k=ytuV\
I27,mS+]
g{k1&|
>pL2*O^{9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); }WLh8i?_
V>-b`e
sYSLmUZ{
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 xl9aV\W
&]6)LFm
\K2*Q&>
$D1w5o-
二. 战前分析 BHDML.r }M
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ]jMKC8uz
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 6=_~0PcY
c7uG9
uYI@9U
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); I,@r5tKo
/* --------------------------------------------- */ ZfAzc6J?\
vector < int *> vp( 10 ); )Q;978:
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ;!>Wz9
/* --------------------------------------------- */ Yf_6PGNzX
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); l~:v
(R5
/* --------------------------------------------- */ 6rti '
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ;zTuKex~
/* --------------------------------------------- */ x+5k
<Xi}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); '_s}o<
/* --------------------------------------------- */ f7urJ'!V
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); unl1*4e+
V)M1YZV{
zSTR^sgJ
BcWcdr+}9
看了之后,我们可以思考一些问题: 5i6
hp;=
1._1, _2是什么? g:ErZ;[
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ?WI3/>:<
2._1 = 1是在做什么? FVsj;
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 >u+q1j.
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 I`RBj `IF
9W7#u}Z
@`"AHt
三. 动工 w?vVVA
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Xt/Ksw"wn
*O$CaAr\s
IakKi4(
WKM)*@#,
template < typename T > D87|q4
class assignment K/_9f'^
{ -cF'2Sfr
T value; 2C^B_FUg|]
public : sRHA."A!8
assignment( const T & v) : value(v) {} Z,7R;,qX
template < typename T2 > j=+"Qz/hr_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } '(+<UpG_Q}
} ; X&m'.PA
:\~+#/=:
;Q0bT`/X
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 (P|~>k
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment |+IZS/W"
V}w;Y?]J
{04"LAE
C_fY %O
class holder .ae O}^
{ =nUW'
public : <3X7T6_:@
template < typename T > NF$\^WvYSP
assignment < T > operator = ( const T & t) const d5I f"8`@
{ 9a$56GnW1
return assignment < T > (t);
OK|qv [
} l7[7_iB&E
} ; 1M3%fW
th5g\h%j*
>XW*T5aUA
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: C_:k8?
Tsb{25`+
static holder _1; >cmE
t
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 _A_ A$N~9
~q0*"\Ff
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ^,Ydr~|T
而不用手动写一个函数对象。 3 *S{;p
[p r"ZQ]
CR<`ZNuWz
O OFVnu
四. 问题分析 \g)Xt?w0Wo
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。 QvPD8B
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。 2Nc>6
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 _+f+`]iM
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 k5d\w@G"~
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ?z-}>$I;
iP~,n8W
五. 问题1:一致性 mZk0@C&:6
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?| ER&UBUu"
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 sPAg)6&M
a5'#j35
struct holder /G{_7cb
{ Vsq8H}K
// jD,Baz<
template < typename T > $9
p!Y}
T & operator ()( const T & r) const 3.
WF}8
{ /Poet%XvRx
return (T & )r; {C*\O)Gep
} 79J-)e9
} ; )(Iy<Y?#
V%
TH7@y
这样的话assignment也必须相应改动: kW=z+
nCg66-3A
template < typename Left, typename Right > Aez2*g3
class assignment D6D1S/:ij'
{ JEn3`B!*
Left l; Z*{]
,
Right r;
dBCbL.!
public : H!e 3~+)
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} RH)EB<PV
template < typename T2 > -XoP ia2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } *2"6fX[
} ; _=6 rE
tEd.'D8 s
同时,holder的operator=也需要改动: qgt[ ~i*
z:Sigo_z[
template < typename T > mbl]>JsQD
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const xk~IN%\
{ UAS@R`?cI
return assignment < holder, T > ( * this , t); fr6^nDY
} \ b8sG"G
8Chj
w wB
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。 c{ZY,C&<
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 G>qZxy`c
$V>98M>j
return l(rhs) = r; G%p~m%zIK
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 K?x,T8<aW
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: %3;Fgk y
89}Y5#W
template < typename Tp > HY;o^drd
class constant_t f},oj4P\
{ N<|$h5isq
const Tp t; ;#G oGb4AM
public : ~`;rNnOT3
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} l*b)st_p%
template < typename T > fBtm%f
const Tp & operator ()( const T & r) const vh!v
MB}}
{ *=" 8?Z
return t; {Ee>n^1
} rtJl _0`
} ; [mxTa\
}H4=HDO
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 hw_JDv+
下面就可以修改holder的operator=了 Hk_y/97OO
U7mozHS,:9
template < typename T > EY`H}S!xy
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const jt~Qu-
{ `;,Pb&W~
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ~H)4)r^
} g o5]<4`r
0rk]/--FGJ
同时也要修改assignment的operator() p5=|Y^g !
Uv_N x10
template < typename T2 > hli|B+:m"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } $m1<i?'m
现在代码看起来就很一致了。 :Br5a34q
(LvS
:?T}
六. 问题2:链式操作 gMWBu~;!
现在让我们来看看如何处理链式操作。 u/b7Z`yX}
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。 :H6FPV78
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~h:qpgc
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。 IJOvnZ("A
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct `"yxdlXA
8GPIZh'0h
template < typename T >
r#PMy$7L
struct result_1 D8{D[fJ;
{ Eu}b8c
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 4:3rc7_
1
} ; 6q<YJ.,
}*]B-\>
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: c97{Pu
|s7`F%
template < typename T > e;bYaM4UX
struct ref + Y.1)i}
{ psh^MX)Q
typedef T & reference; 5cr(S~Q;
} ; zo{/'BnU
template < typename T > XKL3RMF9r
struct ref < T &> P;ZU-G4@
{ m .IU ;cR
typedef T & reference; h-a!q7]l
} ; zr v]
6dH }]~a
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ! hd</_#
Eh</? Qv\
template < typename T > KAA-G2%M
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ha@L94Lq
{ &K_)#v`|
return l(t) = r(t); MiT}L
} iF5'ygR-Z
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ;rI@*An
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 "@@I!RwA
l5%G'1w#,j
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 e"]8T},
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: _!;Me
)C
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 O-]mebTvw
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Ft=zzoVKg
最后的布局是: 4!Z5og1kn
Add DBLk!~IF
/ \ +cJy._pi!
Divide 5 5*PYT=p}
/ \ rt3qdk5U
_1 3 #1c]PX
似乎一切都解决了?不。 8,D 2^Gg
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 n8=5-7UT
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 3K&4i'}V
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: ;Mm7n12z C
]$ afC!Z
template < typename Right > AT2v!mNyCw
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 2 &/v]
Right & rt) const LZPuDf~/
{ $p!yhn7
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); v}@xlB=
} t$2_xX
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 { pu85'DV
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 qbrp P(.
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 I`[i;U{CK
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 T +5X0 Nv
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 ZZQG?("S'
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? A[G0 .>Wk
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: &<zd.~N"
Yw _+`,W
template < class Action > >56>*BHD
class picker : public Action 6cqP2!~
{ FYs)MO
public : f>'Y(dJ'W
picker( const Action & act) : Action(act) {}
F4=}}kU
// all the operator overloaded \txbhWN
} ; '65LKD
q'pK,uNW
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 ld$i+6|
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: u66XN^
e \O/H<
template < typename Right > (F7(^.MG
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const AM=z`0so
{ IwGqf.!.>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); !4] 9!<.k
} .q+0pj
No2b"G@
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > &A#~)i5gF
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。 Nn>'^KZNG
^
9!!;)
template < typename T > struct picker_maker 04r$>#E
{ M$f7sx
typedef picker < constant_t < T > > result; U%0Ty|$Y
} ; S/;bU:
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > s3Cc;#
{ SkU9ON
typedef picker < T > result; @F(mi1QO
} ; +{sqcr1G
m N8pg4
下面总的结构就有了: "RIZV
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。 0'nikLaKy
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。 hy|b6wF&
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 9@+5LZR
至此链式操作完美实现。 CdL< *AH
GfC5z n>
K98i[,rP
七. 问题3 vv26I
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。 $1ndKB8)`J
}1IpON
template < typename T1, typename T2 > )>BHL3@
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4tY ss
{ BT}&Y6
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); <$JaWL
} *hcYGLx
r
7g_]mG[6
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: ?6'rBH/w
Y3Q9=u*5
template < typename T1, typename T2 > qWb+r
struct result_2 ^j7azn
{ Bj7gQ%>H4
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 2;w*oop,O
} ; &r:7g%{n
43=,yz2Ef
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?
D= 7c(
这个差事就留给了holder自己。 23gPbtq/
* RtgC/
r7qh>JrO
template < int Order > ,i@X'<;y
class holder; B$Kn1 k
template <> zP<pEI
class holder < 1 > OrK&RC
{ ++E3]X|
public : &\_iOw8
template < typename T > K<>sOWZ'S
struct result_1 *z7dl5xJ
{ {AQ=<RDRF
typedef T & result; tor!Dl@Mo
} ; ?Q&yEGm(
template < typename T1, typename T2 > `jOX6_z?I
struct result_2 LW(6$hpPp
{ B/n[m@O
typedef T1 & result; #^]n0!
} ; Fgh]KQ/5
template < typename T > :<|<|qJWo
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const $.bBFWk
{ >]c*'~G&