一. 什么是Lambda 5Fa.X|R~
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 o9I=zAGjy
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, jroR2*
2wR?ON=Q
5=Cea
r ]JV!'R
class filler jpijnz{M
{ BN??3F8C
public :
i+r h&,
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ]\DZW4?'
} ; [t#xX59
8NCu;s
!R@v\Eu
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: PM]|S`
WbF[4x
6! `^}4
#Bu W
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Egy#_ RT{
.d
mUh-
)b AO A
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 xZbiEDU
@`" UD
YU>NGC]}d
<5).(MTa
二. 战前分析 9BW"^$
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。 p1}umDb%
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 ]J|]IPXy
G,o5JL"t
JK.<(=y\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $W} YXLFj?
/* --------------------------------------------- */ 4WspPHj
vector < int *> vp( 10 ); 1nGpW$Gx
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 2h=QJgpCG
/* --------------------------------------------- */ n:dnBwY
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Qdt4h$~V"
/* --------------------------------------------- */ 3Lg)237&j
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 4^*+G]]wZ~
/* --------------------------------------------- */ y}aKL(AaU
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); /i:c!l9
/* --------------------------------------------- */ C?OqS+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); !i4/#H
Lp1\vfU<+
I(rZ(|^A
+g.lLb*#
看了之后,我们可以思考一些问题: *I)F5M
1._1, _2是什么? eHX;*~e6)
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。 |FED<
2._1 = 1是在做什么? 4eD>DW
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。 QYB66g:
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。 T~D2rt\
uv#."_Va
)\O;Rt(
三. 动工 kg/<<RO
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: X0FTD':f
8%\0v?a5
p)&Yr
8bTE#2+-
template < typename T > vyS8yJUY
class assignment b+/z,c6w
{ PNgdWf3
T value; S:=
_o
public : !_i;6UVG
assignment( const T & v) : value(v) {} nNc>nB1
template < typename T2 > V'iT>
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } =PM6:3aKh
} ; [\BLb8
B!j7vXM2
#ULjK*)R
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 $R&K-;D/8
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment v?O6|0#x
k`(Cwp{Oc
Kry^47"
L9}%tEP
class holder B'}pZOa[Wb
{ xq@_'
3X
public : H*KZZTKd
template < typename T > S4O'N x
assignment < T > operator = ( const T & t) const fUKi@*^ZUa
{ oVAY}q|wU
return assignment < T > (t); :iEIo7B
} HSG7jC'_
} ; wdMVy=SS
OAiSE`
v$d^>+Y#
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: `z1E]{A
-]~KQvIH!
static holder _1; *S= c0
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 VRQD
hVGK%HCz&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @9AK!I8f
而不用手动写一个函数对象。 Ljs4^vy<J
v!WkPvU
=6O<1<[y
|!6<L_31%
四. 问题分析 .~AQxsGH
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。 7*>(C*q=
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。 >HRL@~~Z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 @AfC$T
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Qz4n%|
下面我们可以对这几个问题进行分析。 {oVoN>gp
@Wl2E.)K;
五. 问题1:一致性 =N^j:t
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?| :pw6#yi8`
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 fN_Ilg)t?5
A$1Gc>C
struct holder WB|N)3-1
{ @.8FVF
// oR@1/lV
template < typename T > u"5
hlccH
T & operator ()( const T & r) const aB ^`3J
{ Aa!#=V1d
return (T & )r; .T*89cEu
} <(tnClAn
} ; @g%^H)T
u;Rm/.
这样的话assignment也必须相应改动: ZOzwO6(_
/VHQ!Wi
template < typename Left, typename Right > 4NDT5sL
class assignment }!^`%\ %\
{ t2_pwd*B
Left l; S]g`Ds<
Right r; Aq,&p,m03
public : !V27ln KP+
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} |y DaFv
template < typename T2 > EHH+)mlo
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } #v\o@ArX
} ; V]W-**j<
Lgrpy
同时,holder的operator=也需要改动: a_(fqoW
^X|Bzz)
template < typename T > &'"dYZj{
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ZRn!z`.0
{ PL*1-t?#
return assignment < holder, T > ( * this , t); i:n1Di1~E
} I*EHZctH
u!TMt8+c
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。 P*g:rg
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 cNG`-+U'
=y]FcxF
return l(rhs) = r; !f01.Tq8
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。 +z O.|`+
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: |wkUnn4UB8
a~wlD.P
template < typename Tp > 0NMmN_Lr
class constant_t ]EfM;'j[
{ 9/dI 6 P7
const Tp t; ;dquld+q
public : }~!KjFbs
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} k. ?@qCs[
template < typename T > qt=nN-AC(
const Tp & operator ()( const T & r) const b0aV?A}th
{ Jl@YBzDfF
return t; 8fC5O
} D[Kq`
} ; 0}wmBSl
4|/=]w
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 qK,PuD7i"
下面就可以修改holder的operator=了 Ry`Y +
6fV;V:1{
template < typename T > ij&T\):d
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const G~{#%i
{ SGUZ'}
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Z ItS(oJ.
} -m_H]<lWZ
i _YJq;(
同时也要修改assignment的operator() 2+}hsGnp
LLd5Z44v
template < typename T2 > *DuP~8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } (3QG
现在代码看起来就很一致了。 HC>MCwx=r
P$Fq62;}r4
六. 问题2:链式操作 7"p%c`*;
现在让我们来看看如何处理链式操作。 <>R\lPI2
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 66l+cb
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 &b=OT%D~FU
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Z>_F:1x
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 9PWqoz2c
2SJ|$VsLaE
template < typename T > JB9s#`
struct result_1 arb'.:[z^
{ !b?`TUt
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; gbT1d:T
} ; H57wzG{xG
{"hyr/SK d
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: PGJkQsp0
FSHC\8siS
template < typename T > a
n|bzG
struct ref N6w!V]b
{ i?]`9 z
typedef T & reference; }q=uI`
} ; (dQsR sA
template < typename T > ]<:qMLg
struct ref < T &> N&]_U%#Q
{ +J
<<me4
typedef T & reference; 4C`p`AQqpQ
} ; DNGj8 1'c
x?n13C
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: KpfQ=~'
+.IncY8C$
template < typename T > @9\L|O'~?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const #s0Wx47~
{ cOb,Md
return l(t) = r(t); *s6(1S
} 7Lx=VX#]q
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。 lzK,VZ=mM
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 #KwK``XC4
:z a:gs0
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 W,|JocDq
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ]udH`{]
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 YV)h"u+@0
+5 调用divide的对象返回一个add对象。
(i>bGmiN
最后的布局是: 1MxO((k
Add C$7dmGjZ
/ \ Tu7sA.73k
Divide 5 -(l/.yE{X
/ \ p[:E$#W~;
_1 3 {/q4W; D
似乎一切都解决了?不。 [Q:mLc
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。 mE"},ksg
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。 |\J! x|xy
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: Gp}}MGk
z1m$8-4
template < typename Right > -"/l)1ox,
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const #Y<(7
Right & rt) const TRku(w1f
{ N\W4LO6
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4<q'QU#l<
} gYW
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 q*d@5
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。 OuwEO
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。 3#~w#Q0%
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。 +JPHQx'W
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。 %617f=(E?!
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? X$9
"dL
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: +=g9T`YbE
(VB-5&b
template < class Action > 97MbyEE8J
class picker : public Action Iv51,0A
{ 4=7h1qex
public : F92et<y.
picker( const Action & act) : Action(act) {} 4NRG{FZ9
// all the operator overloaded ~.&2NUr
} ; w0YV87
31`Eq*Y)4
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 uYAMW{AT
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: fSw6nEXn
B'~CFj0W%=
template < typename Right > kqt.?iJw
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const YZQF*fj
{ ]hjA,p@Q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); RinaGeim
} *k<{ nj@y
2; ~jKR[~
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > (sL!nRw
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 \Zmn!Gg
}e4#Mx
template < typename T > struct picker_maker DY?;Z98P?
{ ]}s'`44J9e
typedef picker < constant_t < T > > result; 4A\>O?\
} ; FiW>kTM8
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ))eQZ3ap9
{ P"ATqQG%D
typedef picker < T > result; l_0/g^(
} ; _p,1m[&M
(#5TM1/A
下面总的结构就有了: {5J: ]{p
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 y5$AAas
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。 ]n (:X
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 $}z%}v
至此链式操作完美实现。 RAi]9` *7
w5R?9"d@
bZd)4
七. 问题3 z<z\)
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。 kbKGGn4u
X}RQ&k
template < typename T1, typename T2 > 8w L%(p
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const m5KAKpCR,
{ O
cJ(i#Q~<
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); oC >l|?h,
} ;vLg4k
4j VFzO%.
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: X2S:"0?7
bbAJ5EqL
template < typename T1, typename T2 > v]e6CZwo
struct result_2 ns`njx}C
{ <OA[u-ph%S
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; e'L$g-;>4b
} ; sB'Z9
&#DKB#.2
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 6Cz%i6)
这个差事就留给了holder自己。 )]P%=
Z
Vj
2%gLq
template < int Order > <6[P5>
class holder; ?0VETa ~m
template <> ~$:=hT1
class holder < 1 > qe_59'K
{ <WGx
6{
public : {3R?<ET]mt
template < typename T > v*VId
l>
struct result_1 mmx;Vt$i
{ f<}>*xH/k
typedef T & result; !K5D:x
} ; i\94e{uty[
template < typename T1, typename T2 > &I=F4 z
struct result_2 m*
JbZT
{ <[w>Mbqj_
typedef T1 & result; n1
kh8,
} ; YDoVm?
template < typename T > 0DgEOW9H
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const OF/DI)j3
{ mjXO}q7
return (T & )r; [lbe_G;
} g@][h_? {
template < typename T1, typename T2 > M<VZISu)dy
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const (J,^)!g7
{ %X>P+6<=
return (T1 & )r1; 1@p'><\
} M@?,nzs
K
} ; :rhh=nHgn
g_2EH
template <> H<wrusRg
class holder < 2 > %.`<ud
{ sUTh}.[5
public : |T;NoWO+
template < typename T > fjwUh>[ }
struct result_1 h:l4:{A64
{ A57e]2_
typedef T & result; DC6xet{
} ; >p,FAz>
template < typename T1, typename T2 > W\l"_^d*
struct result_2 f )K(la^'
{ Mw9;O6
typedef T2 & result; /C"?Y'
} ; %jRqrICd
template < typename T > JMIS*njq^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const O~=|6#c
{ "E/UNE6P4
return (T & )r; dxAP7v
} n\G88)Dv`V
template < typename T1, typename T2 > _hbTxyj
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const qsTB)RdjP%
{ bi 8Qbo4
return (T2 & )r2; }6#u}^gy
} C0.bjFT|
} ; bX*c-r:
^ua8Ya
[23F0-p
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 EXD Qr'"
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: i!+Wv-
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 6l|,J`G
;&8
return l(i, j) = r(i, j); +K"8Q'&