一. 什么是Lambda t9Ht
54
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
D^E1
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, K=;z&E=<c
:tu6'X\k
"]f0wLzh
x\]%TTps
class filler ;$ D*,W
*
{ DBWe>Ef(
public : P5yS`v$@
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} X|{TwmHd
} ; EEEYNu/4/
2ro4{^(_
Q mT L-
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: T$U,rOB"
zF[kb%o
R*`A',]:9
p~Fc*g[!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); )[|`-M~u
EJ;:O1,6H
ypM0}pdvTp
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 bF;g.-.2
Ob$|IH8.
)@Fuw*
D4g$x'
二. 战前分析 aF7" 4^ P
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。 =B@owx
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 -/*-e
/+b
CvW*/d
q
`rzgC \
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 6nV]Ec~3[
/* --------------------------------------------- */ ?xu5/r<
vector < int *> vp( 10 ); ~mP#V
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); k\8]fh)J\7
/* --------------------------------------------- */ ^
ry
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); )EZ#BF<0|
/* --------------------------------------------- */ I?}YS-2
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); .Xnw@\k'
/* --------------------------------------------- */ 4,"%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); -\O%f)R
/* --------------------------------------------- */ p0U4#dD6
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); N=]2vyh
I]t ",s/j
7t
&KKKV
~UA:_7#\M
看了之后,我们可以思考一些问题: %g1:yx
1._1, _2是什么? s{\USD6
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。 :Lu=t3#
2._1 = 1是在做什么? = s^KZV
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。 D=uU:7m
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。 W'WZ@!!
p2s*'dab7
~ HFDX@m*
三. 动工 /qp)n">
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: u
hW@
Y+
w9h`8pt
8L]em&871
f'._{"
template < typename T > xV@/z5Tq
class assignment S?TyC";!
{ l>p S23
T value; `(NMHXgG+
public : }j9V0`Q
assignment( const T & v) : value(v) {} _
T ;+*
template < typename T2 > cYHHCaCS
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } }Fy~DsQ
} ; w;f$oT
67<Ym0+ =
Bs7/<$9K/
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 eaSf[!24"
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 0G@sj7)]
kex4U6&OQB
^W}(]jL
:2^j/
class holder L9L!V"So1k
{ .[YM0dt
public : cF6eMml;
template < typename T > 6XU1w
assignment < T > operator = ( const T & t) const l!UF`C0g
{ gG5@ KD6k
return assignment < T > (t); c~j")o
} Td~CnCor
} ; ;.Dm?J0
-U'3kaX5<
YMGzO
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 7ip$#pzo
L#)F00/`
static holder _1; #Fp5>%*
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ME'hN->c
-1^dOG6*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .7lDJ2
而不用手动写一个函数对象。 `+Ko{rf+9
=2-!ay:
Q#+y}pOLP
k.UQT^.
四. 问题分析 =Yd{PZ*fR
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。 kTJz .
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。 jV:Krk6T<
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 <~wr;"S
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 II=(>G9v
下面我们可以对这几个问题进行分析。 i{1SUx+Re
J-Xw}|>@
五. 问题1:一致性 (A@~]N,U/
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?| CJ'pZ]\G
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 `R\aNgCS}
7r,s+u.
struct holder 0[ (Z48
{ #ZFedK0vv
// cu)ssT
template < typename T > ey icMy`7{
T & operator ()( const T & r) const d46PAA{'
{ R<"fcsU
return (T & )r; *RPdU.
} 2>bTcud>
} ; EMe3Xb
`
;;A8*\*$
这样的话assignment也必须相应改动: '*`25BiQ
l'Oz-p.@
template < typename Left, typename Right > jY: )W*TXt
class assignment EL--?<g
{ pb>TUKvT&
Left l; qM~;Q6{v
Right r; {xW HKsI>,
public : zk#NM"C+
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} O/Q7{5n
template < typename T2 > w+,Kpb<x[0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } %s|`1`c
} ; '>8IOC
MM+x}g.?
同时,holder的operator=也需要改动: )qyJwN
.D
1R}rL#h;=
template < typename T > A }(V2
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 7yUtG^'b
{ ^(w%m#
return assignment < holder, T > ( * this , t); >#9f{
} !]^,!7x,8j
{~L{FG)O
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。 #o>~@.S#:0
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 @ )bCh(u
fu=GgD*
return l(rhs) = r; >g {w,
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--Qbu
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: s *8)|N
%a'Nf/9=:
template < typename Tp > #![9QUvcf
class constant_t *VP-fyJp
{ l0
Eh?
const Tp t; xE.yh#?.k
public : ApT8;F B
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} z(o zMH
template < typename T > >+/2g
const Tp & operator ()( const T & r) const `rWT^E@p5m
{ >TKl`O
return t; \H^A@f
} B'AU~#d
} ; Xur{nk~?
O4 +a[82
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4\#b@1]}
下面就可以修改holder的operator=了 VB}4#-dG?
Y<ZaW{%
template < typename T > w%3*T#tp
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const oe4r_EkYwW
{ 0%W0vTvL
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 2HX#:y{\l
} $2kZM4
+46m~" ]
同时也要修改assignment的operator() q{c/TRp7
!gyEw1Re7
template < typename T2 > i&di}x
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } eI^Q!b8n
现在代码看起来就很一致了。 *LZB.84
2[V9`r8*
六. 问题2:链式操作 ,B'n0AO/'
现在让我们来看看如何处理链式操作。 xY=%+o.?*
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 9kO}054
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 _u]S/X-
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 )q8!:Z
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Vlf =gP
y@'~fI!E4
template < typename T > &*\-4)Tf
struct result_1 \'>8 (i~
{ B/^1uPTZ71
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; (p1}i::Y8
} ; w vnuE<o8
4e!>A
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: |PaVb4j
.S6u{B
template < typename T > xULcS :Q
struct ref aj|gt
{ -LnNA`-
typedef T & reference; c`M
,KXott
} ; *ak"}s
template < typename T > 5;:964Et
struct ref < T &> )*m#RqLQ8
{ cg|C S?
typedef T & reference; ixjhZk i<
} ; >>I~v)a>w
WWtksi,
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: km=d'VvnI
CY?19Ak-xd
template < typename T > |K11Woii
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const g+zfa.wQ
{ rl0|)j
return l(t) = r(t); ,^m;[Dl7
} :L&d>Ii|'
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 `/+PZqdC
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 PpWn+''M
,>vI|p,/G*
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 YYi:d=0<SO
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 7eP3pg#
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 AfqthI$*m
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 G8hq;W4@]/
最后的布局是: ,f3Ck*M
Add dl;
/ \ T0F!0O `
Divide 5 slRD /
/ \
B Sc5@;
_1 3 7TaHE
似乎一切都解决了?不。 _N2tf/C&=
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。 "i1r9TLc
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。 ,EuJ0]2
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: l99{ eD
9+"\7MHw
template < typename Right > TxDzGC
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const SGA!%=Lp
Right & rt) const 'du{ky
{ pU)g93
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); [(D^`K<b
} =0gfGwD{
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 nApkK1?
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。 Smjg[
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。 %J?"ZSh
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。 gsD0N^
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。 Lr ;PESV
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? O%R*1
P9
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: jn/
J-X=
7$HN5T\!
template < class Action > 0{'%j~"
class picker : public Action [7|j:!
{ cPL]WI0(
public : !5escR!\D
picker( const Action & act) : Action(act) {} RbA.%~jjx*
// all the operator overloaded 1-6[KBQ8
} ; tM&;b?bJ[
5Z@~d'D
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。 Qk_`IlSd
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: cV+x.)a.
B6hd*f
template < typename Right > $hGiI
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const @cT= t0*
{ b( qO fek
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2B<0|EGtzw
} $,v[<T`
M!nwcxB!
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ``j8T[g
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 M(+;AS?;
JLZ=$ d
template < typename T > struct picker_maker 7Rix=*
{ K,o@~fj
typedef picker < constant_t < T > > result; XnCrxj
} ; y5AJ1A6?E
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > w:~Y@b~D
{ jh|4Y(
typedef picker < T > result; `OP?[
f d
} ; sHwn,4|iY
wWU5]v
下面总的结构就有了: N)rf/E0
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。 #Lq{_Y
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。 Uq8=R)1<|d
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >*"6zR2 o
至此链式操作完美实现。 tEE1`10Mt
83ajok4E
ZKT~\l
七. 问题3 iH#b"h{w
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。 y_Tc$g~
^Nu0+S
template < typename T1, typename T2 > rWXw/a
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const /V%]lmxQ
{ BL&D|e
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); h)746T )
} ,@b7N[h
&