一. 什么是Lambda 6}^0/76^,
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 H|_^T.n?E
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, #R$d6N[H
|d^r"wbs3
TJFxo?
gC"
_h>S7-X
class filler le*mr0a
{ uU(G &:@
public : 6OR5zXpk
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 6Ug(J$Ouh
} ; s\QhCS
Li~(kw3
lxoc.KDtR
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: 9t@^P^}=\m
?hUC#{
4GWt.+{J$
&os9K)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 92_F8y*D
~01
o
TP'
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 A5-y+
OJ8 ac6cJ
h<H.8.o
[.4R ,[U
二. 战前分析 =g4^tIYq
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。 la#f,C3_
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 }M?\BH&
Gxu
2|]$hjs
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); -y]\;pbZ0
/* --------------------------------------------- */ Q4e*Z9YJ
vector < int *> vp( 10 ); H&jK|]UXoO
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Sx)b~ *
/* --------------------------------------------- */ $3>k/*=
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); DpjiE/*
/* --------------------------------------------- */ }[ LME Z
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); z-fP#.
/* --------------------------------------------- */ [uK*=K/v
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ]-"~?
/* --------------------------------------------- */ e3w4@V`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); c:etJ
KrE:ilm#^Y
K +n
~_ss[\N
看了之后,我们可以思考一些问题: P#-9{T
1._1, _2是什么? pQ%~u3
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 #<df!)
2._1 = 1是在做什么? {^>dQ+S x7
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 C9zQ{G
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 y1R53u`;L
K{)N:|y%!$
1}+lL)-!
三. 动工 _j{^I^P
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: {~NiGHY
>qh8em
rlG&wX
~]X4ru5,4
template < typename T > 7U68|\fI!
class assignment Nd!0\ "AE
{ 4_qd5K+n"
T value; OB"Ur-hJ0
public : -JOtvJIQI
assignment( const T & v) : value(v) {} I;iJa@HWQ
template < typename T2 > SrGX4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } *olV Y/'O
} ; gyi<ot;
1{@f:~ v?
y ,][
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 #xL^S9P
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment >DX\^86x
2eErvfC[
YEfa8'7R
?K,xxH
class holder pvCn+y/U;
{ ! bbVa/
public : xo{3r\u?}
template < typename T > ZuZe8&
assignment < T > operator = ( const T & t) const yZ?|u57
{ I4'mU$)U
return assignment < T > (t); 5bU[uT,`6
} *L_ +rJj,
} ; Pd-0u>k
^Wb|Pl
0<f\bY02
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: v+XB$j^H
)IUeWR
static holder _1; vg@kPuOiO
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 RC(fhqV
W*A-CkrO
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); DyeV
uB
而不用手动写一个函数对象。 }^r=(
xb/L AlJ
FPj j1U`C
r [; .1,(
四. 问题分析 SF$'$6x}
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 H}m%=?y@
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 E}eu]2=nU}
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 qK}4r5U
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 l)y$c}U
下面我们可以对这几个问题进行分析。 t(3<w)r2
lq0@)'D
五. 问题1:一致性 Y rq-(
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?| a1V+doC
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 i,HafY
7/*Q?ic
struct holder [@ExR*
{ #$q~ZKB
// PDN3=PAR/A
template < typename T > .48Csc-
T & operator ()( const T & r) const 'iy &%?
{ c_$9z>$
return (T & )r; Vgy}0pCl
} E-Z6qZ^
} ; D)C^'/8q
>E*j4gg
这样的话assignment也必须相应改动: JkT, i_
T)%34gN
template < typename Left, typename Right > 9
Yv;Dom
class assignment 3Z?"M
{ &)F8i#M
Left l; =.vc={_?
Right r; Z^t" !oY
public : H/!_D f
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 8GpPyG
],e
template < typename T2 > N}`.N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 9qyA{
|3
} ; yEYlQ= [#
5I #L|+
同时,holder的operator=也需要改动: TR2X' `:O
9+'QH
template < typename T > IIC1T{D}v
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const lwS6"2q
{ J:s^F
n
return assignment < holder, T > ( * this , t); 4 3cdWd%
} EW;R^?Z
a.P7O!2Lp
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。 }T<[JXh=J
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 );4lM%]eb
[S{KGe:g
return l(rhs) = r; $dr=M(&
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。
ByP
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: [x}]sT`#a
34Q;& z\e
template < typename Tp > h\+U+?u
class constant_t py9zDWk~
{ R@lmX%Z1
const Tp t; qJq49}2
public : UhQsT^b_
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 5nq0#0Oc
template < typename T > AvW2)+6G
const Tp & operator ()( const T & r) const M%dJqwH5{
{
s>}ScJZK
return t; oU }eAZj{
} Pba 6Ay6B
} ; 4F_*,_Y
/I[?TsXp
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 h-0sDt pR
下面就可以修改holder的operator=了 'FB?#C %U
9uk}r; %9
template < typename T > FD?!bI4
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const jJ^p
?
{ 3GEI) !
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); {d`e9^Z:
} t*<@>] k
DDdMWH^o7
同时也要修改assignment的operator() *Xh)22~T
/cn=8%!N
template < typename T2 > 8KqrB!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ]y*AA58;
现在代码看起来就很一致了。 b$/TfpNdo
bZ!*s
六. 问题2:链式操作 :f^=~#!
现在让我们来看看如何处理链式操作。 9f
,$JjX[
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 2=H3yEJq
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 4k9O6
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 f.?p"~!
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct N?!]^jI,
j^DoILw
template < typename T > F+.:Ry FS
struct result_1 *ea%KE":
{ #X&`gDW
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; y,$kU1yH7
} ; Lf+M
+^l
:r0?[#r?N,
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: m.ib#Y)y
y%.^|
G
template < typename T > dZnAdlJ
struct ref m/#)B6@A
{ T7f>u}T
typedef T & reference; IipG?v0z~
} ; e1'<;;; L
template < typename T > nS xFz!
struct ref < T &> >kK;IF9h
{ o&2(xI2
typedef T & reference; x5q5<-#
} ; L"Y_:l3"7
x!CCSM;q
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ?yKW^,q+
?)=A[
template < typename T > g~FA:R
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ya7/&Z
)0
{ YJZViic
return l(t) = r(t); IY$H M3t7
} ]IQTf5n
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 B%HG7
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 K07b#`NF6
JTu^p]os?
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 c}9.Or`?
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: YGVj$\
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 UEeD Nl$^u
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 3nVdws
最后的布局是: CBC0X}_`
Add r|rOIAo
/ \ qaK9E@l
Divide 5 2/.Euf
/ \ n6T@A;_g
_1 3 iU^KmM I
似乎一切都解决了?不。 6onFf* m!x
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 b/N+X}VMN
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 'F[m,[T%x
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: %";bgU2Q
`TvpKS5.Y
template < typename Right > I$@0FSl
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const <ptZY.8N
Right & rt) const :BLD&mb"Y
{
hS)X`M
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); >5Vv6_CI0?
} W79wz\a
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 7hPiPv
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。 ]qZs^kQ
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。 Y#3<w
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。 $ZSjq
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。 [[(29|`]
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%kr&XsQX
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: tuzw%=Ey
*g
=ey?1S
template < class Action > 0pT?qsM2
class picker : public Action s)HLFdis@
{ V4]t=3>
public : gzS6{570
picker( const Action & act) : Action(act) {} OQt_nb#z`{
// all the operator overloaded '0z-duu
} ; P !:LAb(
Dh=?Hzw
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。 m44Ab6gpsb
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_'6Q+
P@Oq'y[
template < typename Right > i
v7^!
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ay}}v7)GM
{ >BU"C+a8g
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,DUD 4 [3
} 906b=
wO6
D\#
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > @BbqYX
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。 8PQKB*<dB"
tz#Fy?pe
template < typename T > struct picker_maker 6?an._ C
{ 4\qnCf3
typedef picker < constant_t < T > > result; pSM\(kVKa
} ; .!yXto:
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > [=dK%7v
{ H+UA
typedef picker < T > result; CAX)AN
} ; 6CoDn(+z
9V5}%4k%+
下面总的结构就有了: i7hWBd4wK
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。 15NeC7GAh
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。 rr/0pa$
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 S>AM?
至此链式操作完美实现。 k+
Shhe1
kXw&