一. 什么是Lambda )l`VE_(|
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 2@I0p\a
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, \eRct_
Nx
E=^
v
QUh`kt(E
.8;0O
M
class filler "^Y zHq6
{ P'*Fd3B#A=
public : uH[:R vC0
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} xLgZtLt9
} ; \5Y<UJKi
da@W6Ov x
2(Aw
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: GR_caP
agQDd8 oX
vF/wV'Kk
e0<O6
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); nyBT4e
Zq5~M bldh
9\0$YY%
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 yD@eT:lyi
5du xW>D
fVdu9 l
eo.B0NZsF
二. 战前分析 ,zxv>8Nt
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。 \Pe+]4R-Xo
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 P4+PY 8
b/
h#{'
rj4R/{h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); {kr14l*2
/* --------------------------------------------- */ M5L /3qLh1
vector < int *> vp( 10 ); ~qK/w0=j
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); \)ZCB7|
/* --------------------------------------------- */ }<*KM)%
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); tf[)| /M
/* --------------------------------------------- */ 3Vak
C
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); i4XiwjCHN
/* --------------------------------------------- */ {faIyKtW
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); M+:9U&>
/* --------------------------------------------- */ )ybF@emc
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 2.
v<pqn
z\woTL6D]
Ys&)5j-
;|:R*(2
看了之后,我们可以思考一些问题: *%E\mu,,c
1._1, _2是什么? c]/S<w<
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。 xErb11
2._1 = 1是在做什么? ;uzLa%JQ
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。 E]=>@EX
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。 J ;4aghzY
jx2{kK
14 (sp
三. 动工 @7KG0<]h
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 8 )n g> l
?GW}:'z
W!Fc60>p@f
ZDov2W
template < typename T > @PctBS<s
class assignment (NN;1{DB8
{ (t@:dW
T value; S5d
public : 0N$FIw2
assignment( const T & v) : value(v) {} %$i}[U
template < typename T2 > W+$G{XSr5C
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ? Dn}
} ; l@ (:Q!Sk
\-f/\P/ w
qI${7
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 JYv<QsD
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment PTqia!
/ :6|)AW.{
]hoq!:>M1
n9n)eI)R
class holder p@[ fZj
{ <fV][W
public : yc`*zLWh
template < typename T > q6<P\CSHy<
assignment < T > operator = ( const T & t) const `uH7~ r^
{ euVj,m
return assignment < T > (t); -3guuT3x\
} iq[IZdza
} ; xc\zRsY`
d325Cw?
F\L!.B
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: D/GE-lq
RBBmGZ
static holder _1; Z!7xRy
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 8/&4l,M5
&;=/^~EG
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); _A])q
而不用手动写一个函数对象。 1<5Ug8q
HIx%c5^
~_c1h@
Vxu V`Plf
四. 问题分析 $mh\`
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 D9?.Ru0.
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 =I@I
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ]V_A4Df
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 :2&"ak>N
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ODhq
`?(N
xwi6#>
五. 问题1:一致性 c+ByEP4EG
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| x~wS/y
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 -a &<Un/
4e#$-V
struct holder $/B~ bJC
{ l;L_A@B<
// Pg{1' -
template < typename T > S#$Kmm
|
T & operator ()( const T & r) const T ~(Sc'8
{ m}\QGtJ6
return (T & )r; >#k-
~|w
} ^YropzHZ4E
} ; &i.sSqSI5
h /^bRs`;
这样的话assignment也必须相应改动: f-71`Pyb
PMV,*`"9"A
template < typename Left, typename Right > RtzSe$O
class assignment PP>6
{ LO>42o?/i
Left l; WmN(
(
Right r; M
+r!63T
public : R&J?XQ
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }v4dOGc?
template < typename T2 > 7B (%2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } (Bd'Pj]:
} ; K +3=gBU*w
Dfa3#{
同时,holder的operator=也需要改动: d]"4aS
0GXY2+p}S
template < typename T > H(r D*R[
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Zd-6_,r
{ i i-AE L
return assignment < holder, T > ( * this , t); nS*Y+Q^9a
} % hvK;B?Y|
)<:TpMdUk
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 .\glNH1d
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 T9H*]LxK
L/V^ #$
return l(rhs) = r; qS FtQ4
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。 jWv'`c
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Np/\}J&IF
oSC'b%
template < typename Tp > -4&
i t:
class constant_t NX.xEW@
{ %&|
uT
const Tp t; R]iV;j|
public : ,1$F#Eh
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} `+"(GaZ
template < typename T > y{>f^S<
const Tp & operator ()( const T & r) const ?!6Itkg
{ @2)nhW/z6
return t; gtZmBe=
} 4]ni-u0*
} ; pX?3inQP%(
v/.'st2%
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 xI{4<m/0N
下面就可以修改holder的operator=了 q`b6if"
Z,A $h>Z
template < typename T > '2H?c<Y3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const \`2'W1O
{ t'l4$}(
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); =I@t%Y
} r(46jV.sD:
L2ydyXIsd
同时也要修改assignment的operator() K+F"V W*?
_!@:@e)yB{
template < typename T2 > czuIs|_K*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); }
p;w&}l{{
现在代码看起来就很一致了。 +*:mKx@Nw
d*0RBgn
六. 问题2:链式操作 VNHceH
现在让我们来看看如何处理链式操作。 :~vodh
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。 JhFbze>
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。 |JxVfX8^
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。 9Yv:6@. F
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct VP~2F
E
d?2ORr|m=
template < typename T > D=TS IJ@
struct result_1 SG&,o=I$
{ Og/aTR<;=
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; $`E?=L`$
} ; q[,p#uJ]
&uK(. @
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: 6*q1%rs:w
Q=`yPK>{$N
template < typename T > ;7QXs39S
struct ref l<f9$l^U
{ 8(L$a1#5W
typedef T & reference; 25$_tZPAI
} ;
X8$Mzeq
template < typename T > >u&D@7~c
struct ref < T &> %o0b~R
{ P 0,]`w
typedef T & reference; Fo.Y6/}
} ; %8FfP5#
(Xh<F
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Q&eyqk
o utJ/~9;
template < typename T > ?,>3uD#
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const F@i>l{C
{ 7__[=)(b2X
return l(t) = r(t); \yr9j$
} p%I'd^}.!
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。 i6'=]f'{
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 /Sw~<B!8N
EAGvP&~P
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 L,[Q/$S8
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ny5P*yWEh
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 1;ttwF>G7
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 9|1msg4
最后的布局是: $r/$aq=K
Add im2mA8OH
/ \ #'_#t/u
Divide 5 V]F D'XAl
/ \ 4v\HaOk
_1 3 9Da{|FyrD
似乎一切都解决了?不。 gyw=1q+
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。 |LZ;2 i
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。 eiKY az
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: 'Qy6m'esW
$0_K&_5w~
template < typename Right > MJXnAIG?2
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const d4S4
e
Right & rt) const V*j l
{ fEHFlgN3Ap
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); SGWb*grt
} ]<;7ZNG"Y5
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 _z@/~M(
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 NfV|c~?d
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 MzIDeZ
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 EN!C5/M{&
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 g,Ob/g8uc
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? qVC+q8
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: E>bkEm
8RMM97@1Q
template < class Action > r3'J{-kl
class picker : public Action v`A)GnNiN
{ {r_HcI(h
public : 0;bdwIP3
picker( const Action & act) : Action(act) {} ,a #>e
// all the operator overloaded u#76w74
} ; B$eM
zm&[K53
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。 2{79,Js0
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: lVvcrU
uy{O
template < typename Right > 46>rvy.r
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const zPaubqB
{ CvU$Fsb
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); `MI\/oM@
} tbS hSbj
1K Fd
~U
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > LYDiqOrx
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。 4 Ej->T.
{`!6w>w0
template < typename T > struct picker_maker \3JCFor/
{ 1/M^7Vb.
typedef picker < constant_t < T > > result; 3FiK/8mu
} ; /vSGmW-*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > >
d$$5&a
{ q} e#L6cM
typedef picker < T > result; >(RkoExO/
} ; !Cr3>tA
:^)?AO#J
下面总的结构就有了: |+
F ~zIu'
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。 1#d2 +J*
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。 /e2zH
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 _k@cs^
至此链式操作完美实现。 $JY\q2
[7I:Dm
dA)T>
七. 问题3 jFN0xGZ
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 wn[)/*(,$(
L$PbC!1
template < typename T1, typename T2 > `+,?%W)
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const p1UloG\
{ a=MN:s?Fc0
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 0s;~9>
} ]o] VS
Lz 1.+:Ag
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: &|Gg46P7
o/{`\4
template < typename T1, typename T2 > '[$KG
struct result_2 *:L"#20:R
{ Z<X=00,wg
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; eK7A8\;e
} ; y0xBNhev
~0PzRS^o
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? >$m<R&
这个差事就留给了holder自己。 ;%n'k
~@'wqGTp
+xYu@r%R
template < int Order > YS|Dw'%g /
class holder; $Tbsre\MJ
template <> 5;)^o3X>
class holder < 1 > UT3Fi@
{ 8eB,$;i
public : kkl'D!z2g
template < typename T > JBpV'_"]
struct result_1 h.Qk{v
{ !ZTghX}D
typedef T & result; PNm@mC_fh
} ; |+Wn5iT
template < typename T1, typename T2 > |ke0G
struct result_2 -64lf-<
{ /9_%NR[
typedef T1 & result; l#[Z$+!09
} ; (HRj0,/^
template < typename T > beOMln+R
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const i9ySD
{ B#g~c<4<
return (T & )r; 0qN`-0Yk
} "l&SRX?g
template < typename T1, typename T2 > `rn/H;r!Z
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const T~3{$
{ zmhc\M?z
return (T1 & )r1; &{j!!LL
} ?M:>2wl
} ; eA&