一. 什么是Lambda H^Mfj!S
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Ie<H4G5Vh
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, vU,V[1^a
&6feR#~A
bUzo> fm_
TS_5R>R3
class filler f: 9bq}vH
{ `w6*(t:T
public : 0dTHF})m
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} qix$ }(P
} ; {4n
4,, @o
8t;vZ&
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: OXxgnn>W'
m/e*P*\=
FNN7[ku!
z|F38(%JJN
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); > `1K0?_
&%UZ"CcA
~xa yGk
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 1^ijKn@6
a
Xn:hn~O
|Q(3rcOrV"
pqCp>BO?O
二. 战前分析 +`J~c|(
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。 [+F6C
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 dEhFuNO<2
0$qK: ze
kOE\.}~4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); _v#Vf*#
/* --------------------------------------------- */ <(!~s><.
vector < int *> vp( 10 ); \N%L-%^
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :hBLi99
o
/* --------------------------------------------- */ aMJW__,
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 2/iBk'd
/* --------------------------------------------- */ B:>>D/O
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); bhl9:`s
/* --------------------------------------------- */ qEvbKy}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); *|9:
/* --------------------------------------------- */ !b"2]Qv
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); w
t6&N{@
aD&4C-,1
/;5/7Bvj
* lJkk
看了之后,我们可以思考一些问题: { v [
1._1, _2是什么? Al3*? H&
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 `t>A~.f
2._1 = 1是在做什么? !gm@QO cF
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 b}3t8?wG&
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 "C.cU
)Z*nm<=
S"cim\9xP
三. 动工 zcy`8&{A<?
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ae#Qeow`
X:/7#fcG8
?$ Dc>
jK]An;l{Z
template < typename T > k|^YYi=xF
class assignment KY%LqcC
{ h:AB`E1
T value; (F j"<
public :
a)8;P7
assignment( const T & v) : value(v) {} 0<XxR6w
template < typename T2 > <74r
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } V}MRdt7
} ; I&%KOe0
Eb7GiRT#
ATWa/"l(H-
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 nh]HEG0CZJ
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment `qV*R
2
FN<Sagj
l`Ae&nc6
l[6lXR&|
class holder 0m,q3
{ Fr_6pEH]}
public : q`|rS6
template < typename T > >rYkVlv
assignment < T > operator = ( const T & t) const P9o=G=i
{ P# |}]oG%
return assignment < T > (t); Ck:+F+7_v
} :CsrcT=
} ; 6IJH%qUx'
pupt__NZ)n
pE {yVs
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: 4$y P_3
Yy{(XBJ~%t
static holder _1; KRM:h`+-.-
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 S"/-)_{
Os/?iGlD*E
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 'A,)PZL9i
而不用手动写一个函数对象。 R:`)*=rL%
+xuj ]J
$=5kn>[_Z%
e0M'\'J
四. 问题分析 `|<? sjY
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 d5"rCd[
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Ki>XLX,er=
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 25;(`Td5
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 **.g^Pyc
下面我们可以对这几个问题进行分析。 AHU=`z
.JBTU>1]_n
五. 问题1:一致性 k+zskfo
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| +*IRI/KUD
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 A`* l+M^z
2%/+r
struct holder 6MpV,2:>
{ q8}he~a
// nwVW'M]r
template < typename T > 4>Y*owa4
T & operator ()( const T & r) const Nj.;mr<
{ zJ_y"bt
return (T & )r; SPp|/ [i7
} _h I81Lzq
} ; HLC I
hOYP~OR
这样的话assignment也必须相应改动: NFPWh3),f
lMgPwvs'
template < typename Left, typename Right > V0G[f}tm'
class assignment 3pe1"maP
{ dwouw*8
Left l; VHG}'r9KC%
Right r; :m<#\!?
public : |_hIl(6F5N
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} tF6-@T\6
template < typename T2 > kz G W/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } abp\Ih^b
} ; V ONC<wC
V@nZ_.
同时,holder的operator=也需要改动: Cg8
}^
=f%EjV
template < typename T > DUwms"I,%
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Os*s{2OvO
{ qYQ
vjp
return assignment < holder, T > ( * this , t); z 'V$)U$f
} F<^f6z8
A6
Rw LX
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 +i[vJRLxl~
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 (|pM^+
+~sqv?8
return l(rhs) = r; 6m@B.+1
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 Ed+jSO0
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 6),!sO?
g""Ep
template < typename Tp > _}cD_$D
class constant_t J06D_'{
{ /iL*)
const Tp t; 6Fc*&7Z+
public : . I."q
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} OlgM7Vrl
template < typename T > vnS8N
const Tp & operator ()( const T & r) const 6ld /E
{ j.[W] EfL~
return t; !="8ok+
} y&V'GhW!dd
} ; bwa*|{R
>uDC!0)R
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 bq9/d4
下面就可以修改holder的operator=了 )iJv?Y\]
D^}2ilk!
template < typename T > <`?%Cz AO
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const z0%tBgqY(
{ +.g j/uy*
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); DG}s`'
} r]U8WM3r
w&e3#p
同时也要修改assignment的operator() wB:<ICm
=G !]_d0
template < typename T2 > ^9><qKbO
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } |7Qe{
现在代码看起来就很一致了。 13 %:3W(
!L<z(dV|(
六. 问题2:链式操作 Xpt9$=d
现在让我们来看看如何处理链式操作。 hZw8*H^tP
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 }Syd*%BR[
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 N( f0,
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 QP<.~^ao
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct zN=s]b=/
YABi`;R]'
template < typename T > c|K:oi,z
struct result_1 2%*\XPt)
{ )Cat$)I#,
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Zy.3yQM9i
} ; B*9?mcP\
aj/+#G2
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: IVVX3RI
5tk7H2K^<
template < typename T > *!j!o%MB
struct ref $/ $Hi U`.
{ 6J">@+
typedef T & reference; saDu'SmYV
} ; |9p0"#4u
template < typename T > yYP>3]z
struct ref < T &> SbQ:vAE*ho
{ X<5&R{oZ
typedef T & reference; jeB"j
} ; qJ .XI
oS}fr?
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 5"(FilM
HKIr?
template < typename T > Q#*R({)GH
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 'Hs*
{ ZAn9A>5_
return l(t) = r(t); t/3HX]B_
} $sUn'62JlU
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ,gM:s}l!dJ
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 YQWq*o^:
.8GXpt^U(
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 @sW!g;\T
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: PIdGis5G
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 <
+kdL
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?b"'w
最后的布局是: A-J#$B
Add -%Rbd0gVH\
/ \ awjAv8tPO!
Divide 5 Z[0/x.pp$
/ \ 4Xww(5?3
_1 3 `m#i|8
似乎一切都解决了?不。 m&z(2yb1
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。 WQ9Q:F2
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。 AX{7].)F
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: U9*< dR
SBdd_Fn
template < typename Right > ;),,Hk
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const |68u4z K
Right & rt) const z@ `u$D$n
{ EWY'E;0@5
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ZE=
Yn~XM
} P,(_y8
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 g++-v HD
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。 EEo I|
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。 (_6JQn
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。 #k[Y(_
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。 yk(r R
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? 3(nnN[?N,5
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: JT=ax/%Mo
G]{^.5
template < class Action > |n^rI\p%
class picker : public Action L"NfOST3'R
{ 2E`mbT,v&
public : =''b `T$
picker( const Action & act) : Action(act) {} 2\1bQq\
// all the operator overloaded B=7maYeU
} ; * dk(<g=fM
JIHIKH-#
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。 Bk^o$3#
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: W BA7G
^~6gkS
}
template < typename Right > B6KG\,'|
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const YW&`PJ9o
{ }Z t#OA
$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); a.RYRq4o
} n)z:C{
2?v }w<Ydl
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > FjLMN{eH/
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。 3N|6?'m
E@#<p-@~
template < typename T > struct picker_maker #&fu"W+D96
{ nR w f;K
typedef picker < constant_t < T > > result; Aa]3jev
} ; N R4\TU
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Aon.Y Z
{ K
V
typedef picker < T > result; v(=0hY9
O
} ; _OS,zZ0
6V}xgfB
下面总的结构就有了: EJQT\c
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。 SJlE!MK
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。 ULgp]IS
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 [hk/Rp7{
至此链式操作完美实现。 )[r=(6?n
~jmI`X/
ckv8QAm
七. 问题3 [tElt4uG
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。 -_eG/o=M
$<Y%4LI
template < typename T1, typename T2 > OdNcuiLa
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Zm7,O8
{ Cud!JpL
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); pn){v
} mEkYT
w`3.wALb
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: 8V9OMOt!
0PsQ
1[1
template < typename T1, typename T2 > K5\l
(BB
struct result_2 UO!} 0'
{ I0=L_&`)
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; t}?-ao
} ; N
7Y X
Zy8tI#
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? 5zkj;?s
这个差事就留给了holder自己。 (0.JoeA`y
R*XZPzg%
yF%e)6
template < int Order > L/I ]
NA!U
class holder; DlAwB1Ak
template <> KaHe(
class holder < 1 > K[
S>EITr
{ +DR{aX/ll
public : o)x&|0_
template < typename T > <RY!Mc
struct result_1 v&3"(fp
{ l~Ka(*[!U
typedef T & result; O=lRI)6w@e
} ; J&