一. 什么是Lambda 8{=|<
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Q=8YAiCu
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, OX 'V
78{9@\e"0
<{k`K[)
ZG0^O"B0
class filler 6}m `_d?
{ Lu{/"&)
public : G^tazAEfo
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ?_FL
'G
} ; V'e%%&g~N
g5y`XFY
Wlxmp['Bh
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: @I-,5F|r
@!=Ds'MJC
&ocuZ-5`
{f\wIZ-K A
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); L{P'mG=4
p:TE##
YHO}z}f[!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Zj!,3{jX^
p@kRo#~l
>t.Lc.
{?`7D:]`^
二. 战前分析 4~3
n
=T*
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。 *~g*J^R}
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 1&! i:F#
(BPO*'
~CT]&({
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); \?]U*)B.r
/* --------------------------------------------- */ )2RRa^=&
vector < int *> vp( 10 ); cz,QP'g
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); C 2nmSXV
/* --------------------------------------------- */ {j9TzR
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); sWo}Xq#
/* --------------------------------------------- */ QK?V^E
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); s2"`j-iQ
/* --------------------------------------------- */ b6
%m*~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); >vp4R`
/* --------------------------------------------- */ LT<2 n.S
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); >#$SaG!
~9 .=t '
']TWWwj$
P4q5#r
看了之后,我们可以思考一些问题: u+Ix''Fn#%
1._1, _2是什么? dkz%
Y]
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。 uUg;v/:
2._1 = 1是在做什么? tu<<pR>
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。 (ne[a2%>
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。 a51e~mg Z`
!Pw*p*z
|J,zU6t
三. 动工 aSvv(iV
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: !Z tqh Xr
_]OY[&R
QZ l#^-on
tO{{ci$-T
template < typename T > !h4T3sO
class assignment :c~SH/qS
{ TL2E|@k1]
T value; jcJ 4?
public : sJ|pR=g)!
assignment( const T & v) : value(v) {} n!4\w>h
template < typename T2 > yf9"Rc~+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } z
)'9[t
} ; h40;Q<D
##6\~!P
.p!
DVQ"a
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 P !i_?M
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ;Y\LsmZ;F
>^~^#MT
@w8}]S
w2.]
3QAZ
class holder $U*eq[
{ llP
V{
public : KE3`5Y!
template < typename T > /IWAU)A0
assignment < T > operator = ( const T & t) const YK6LJv}
{ -}%J3j|R:
return assignment < T > (t); J)YlG*
} FL'}~il
} ; Jz`jN~
BDI@h%tJb:
Q4m>
3I
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 4j=3'Z|
M5h
r0R{
static holder _1; IFTNr2I
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 UON=7}=$&
= g{I`u
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); `f; w
而不用手动写一个函数对象。 $_"u2"p
t`z "=S
0~fjY^(
4C =W~6~
四. 问题分析 6^gp
/{
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。 #"4ioTL2
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。 FB[b]+t`D{
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 LG&BWs!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 rJ Jx8)M
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Cjf[]aNJe`
9VxM1-8Gs
五. 问题1:一致性 RqTO3Kf
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?| 8TFQ%jv
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 wnokP
Ei_~K';
struct holder Qb^G1#r@C
{ $Aw@xC^!
// D`JBK?~
template < typename T > K5qCPt`'
T & operator ()( const T & r) const JJd qdX;
{ }n==^2
return (T & )r; wtek5C^
} XL n9NBT4K
} ; ==[=Da~
mLuNl^)3
这样的话assignment也必须相应改动: =sYILe[
U*[E+Uq}:N
template < typename Left, typename Right > 0(7 IsG=t
class assignment I1fpX |
{ j+_fHADq
Left l; BX?DI-o^h
Right r; _iJ~O1qx,w
public : 45c?0tj
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Y6v{eWtSn
template < typename T2 > 3^UdB9j;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5*$yY-A
} ; Cq2Wpu-u
k4ti#3W5eG
同时,holder的operator=也需要改动: Bz ;r<Kn
n4kq=Z%
template < typename T > ^!1!l-
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const N_c44[z1
{ P4[kW}R
return assignment < holder, T > ( * this , t); 5.6tVr
} (!nkv^]
yNns6
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。 }YDi/b7
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 5tlRrf
1tNL)x"w
return l(rhs) = r; %Ln`c.C
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。 : .x((
FU
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: "|8oFf)l@B
aO&U=!
template < typename Tp > DC8#b`j
class constant_t L0g+RohW
{ [KK
|_
const Tp t; zgAU5cw
public : (GmBv
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ^j\LB23
template < typename T > }emUpju<C
const Tp & operator ()( const T & r) const *9j'@2!M
{ z)3TB&;
return t; 1q7&WG
} <VxA&bb7c
} ; P-\f-FS
|owr?tC
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 a4,V(Hlm
下面就可以修改holder的operator=了 i|^Q{3?o#
&ys>z<Z
template < typename T > Q>{$Aqc,e
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const c| ?(>
{ .t@|2
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); t$!zgUJ
} nONuw;K
4eHSAN"$
同时也要修改assignment的operator() ,sL'T[tuiU
Z Ts*Y,
template < typename T2 > 8Rj5~+5
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ^@^8iZ
现在代码看起来就很一致了。 ;\RVC7
40kAGs>_
六. 问题2:链式操作 i6if\B
现在让我们来看看如何处理链式操作。 G)7U&B
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。 kOQ)QX
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。 I0}.!
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。 ukR0E4p
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct XJ<"S
p
\L*%?~
template < typename T > & &}_[{fc
struct result_1 6(8F4[D
{ h[remR#3\
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; PF~@@j
} ; kk=n&M
_EMI%P&s
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: gQ\.|'%
GeR#B;{
template < typename T > xvTtA61Vp
struct ref Z@Rm^g]o
{ KR?;7*qF
typedef T & reference; T)zk2\u
} ; l?m"o-Gp3
template < typename T > =!\Nh,\eQ
struct ref < T &> #p(gB)o:l
{ Xw4Eti._D
typedef T & reference; *?m)VvR>|
} ; X/4CXtX^
oXG_6E!^
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: [\ao#f0WR
.Pm5nS
template < typename T > UXct+l
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const .\XRkr'-
{ ]K(a32V CH
return l(t) = r(t); ,j%\3g`
} QEJu.o
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。 oZ%uq78#[%
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 &hWELZe0vv
b-&rMML
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 iE'_x$i
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: lju5+0BSb
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 2y!n c%
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Ij#mmj NW
最后的布局是: e)e(f"t6Q
Add qR@ESJ_
/ \ |ty&}'6C
Divide 5 Z[@ i/. I
/ \ ]ae(t`\l^
_1 3 e1Db
+ QBV
似乎一切都解决了?不。 s$#64"F
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。 &[d'g0pF
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。 d'_q9uf'
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: 8>C4w 5kF
1clzDwW
template < typename Right > K&[0`sH!
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const L0![SE>
Right & rt) const FF8jW1
{ \m7\}Nbz0/
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); W et0qt]
} )?jFz'<r
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 =zn'0g,J4
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。 2O kID
WcM
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。 /O[6PG
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。 )?72 +X
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。 eCI'<^
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? t!\aDkxo %
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: w[z=x
:%gc Sm
template < class Action > ':4ny]F
class picker : public Action 4u5j
7`O
{ ]O|>nTa
public : 0/QDfA?
picker( const Action & act) : Action(act) {} >v,X:B?+FL
// all the operator overloaded od!44p]
} ; ranem0KQ)]
phDIUhL$z
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 1L<TzQ
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: U4d7-&U
dC6>&@
VX
template < typename Right > I!/EQO|
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const %E%=Za
{ .w4|$.H
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); z_'^=9m
} Qy:yz
s4Ja y!A
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > +Ug &
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。 x;[)#>.'
:3M,]W]
template < typename T > struct picker_maker |co#X8J
{ %/2
` u
typedef picker < constant_t < T > > result; `*U@d%a
} ; e,OXn gC
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > r8(oTx
{ 3Y P! B=
typedef picker < T > result; C6gSj1
} ; ~;(\a@ _
`6rLd>=R
下面总的结构就有了: 7O)ATb#up
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。 %ZRv+}z
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。 Z*Ffdh>*:&
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 :+YHj)mN
至此链式操作完美实现。 TD\TVK3P
-,
+o*BP
Yh]a4l0
七. 问题3 bAt!S
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。 ta&z lZt
iB0r+IbR
template < typename T1, typename T2 > U,b80%k:
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const vT5GUO{5
{ b$2=w^*
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 3~`\FuHHe
} 3+>R%TX6i<
dtuCA"D
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: A]"6/Lr9P
,GWa3.&.d
template < typename T1, typename T2 > yMW3mx301j
struct result_2 -}@C9Ja[?
{ ,%yC4
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; +!@xH];
} ;
h6~xz0,u
=)y$&Y