一. 什么是Lambda 6}|h
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 "{Y6.)x
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, e,W,NnCICj
"7jE&I
4GXS(
<z>oY2%
class filler XGjFb4Tw7
{ {OOn7=
public : $ \o)-3
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} tvq((2
} ; #l7v|)9v
B<a` o&?
eg1F[~YL/
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: ,(f W0d#
-8<vW e
@~UQU)-(
;P/ 4.|<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); k1s5cg=n(
>Q?8tGfB
:M<] 6o
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 [9#zEURS
)OVa7[-T
(XY`1|])`
gFTlP
二. 战前分析 }d;6.~Gw
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。 <iGW~COd
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 jp^Sw|
^Xu4N"@
;Zr7NKs
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); zgH*B*)bj
/* --------------------------------------------- */ f*9O39&|
vector < int *> vp( 10 ); 7q5*grm
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Z&P\}mm
/* --------------------------------------------- */ mVh;=>8K
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); BBv+*jj
/* --------------------------------------------- */ "^a"`?J
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~!cxRd5;F
/* --------------------------------------------- */ vAqj4:j
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); bMNr +N
/* --------------------------------------------- */ }&==;7,O
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); \j3dB
tc
?,8+1"|$A]
ek0!~v<I
+lhCF*@*N
看了之后,我们可以思考一些问题: 5sN6&'[
1._1, _2是什么? ?( z"Ub]
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 VxARJ*4=Y
2._1 = 1是在做什么? k}NM]9EAE
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 aql8Or1[
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 a(ITv roM/
sf# px|~9
RVLVY:h|F
三. 动工 4RYH^9;>K
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: @qj]`}Gx'
|r36iUHZS
Id>4fF:o
t8rFn
template < typename T > D|Wlq~IpQ
class assignment D}j`T
{ o0|Ex\
T value; `|nCnT'
public : v\@RwtP
assignment( const T & v) : value(v) {} PLMC<4$s
template < typename T2 > Ki7t?4YE
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ,sL%Ykr
} ; !2Z"Lm
85;bJfY
SgehOu
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 )|^8`f
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 0K26\1
H:~u(N
rD a{Ve
0 yq
class holder vv{+p(~**O
{ 4KnBb_w
public : zB~< @
template < typename T > w D r/T3
assignment < T > operator = ( const T & t) const "42/P4:
{ |%mZ|,[
return assignment < T > (t); =!xX{o?64
} wWiYxBeN
} ; Q}KOb4D
Jou*e%
tqCkqmyC
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: ' BS.:^
(;%T]?<9#
static holder _1; @z{SDM
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ZH9Fs'c=
J{Kw@_ypP
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); b \ln XN
而不用手动写一个函数对象。 ?4Rd4sIM$u
=CZRX'
+yN
qqf*g=f
*Q/^ib9=
四. 问题分析 /#H P;>!n
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 =\5WYC
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 G[yzi
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 hr 6j+p:
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ,f$P[c
下面我们可以对这几个问题进行分析。 k:R\;l5
] \_tO
五. 问题1:一致性 ce}A!v
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?| }6/M5zF3
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ~uty<fP
x5BS|3W$a
struct holder X3kFJ{
{ F}ATY!
// )`f-qTe
template < typename T > %HoD)OJe
T & operator ()( const T & r) const &{a!)I>
{ 6AG]7d<
return (T & )r; UGy3B)
} to</
} ; 3?]81v/
h%ys::\zF
这样的话assignment也必须相应改动: ]h(Iun
Td'(RV
template < typename Left, typename Right > /}8Au$nA
class assignment ,.cR @5qI
{ _G/R;N71
Left l; jgIG";:Q
Right r; 1J"I.
public : !ZH "$m|
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} $sda'L5^p
template < typename T2 > #NYnZ^6e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } : #CWiq("%
} ; ~44u_^a
w.(W G+
同时,holder的operator=也需要改动: aH'fAX0bF
9]oT/ooM
template < typename T > BoYY^ih
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const v7wyQx+Q
{ 4J_HcatOB
return assignment < holder, T > ( * this , t); `y.4FA4"8
} *u"%hXR
8:V,>PH
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 nsU7cLf"^V
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 m[v0mXE
klT?h[I!
return l(rhs) = r; `D~oY=
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 f^B8!EY#:
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类:
*af\U3kx
G&{yM2:E
template < typename Tp > p7;K] AW
class constant_t {\`ttc>
{ D!,5j_,j%
const Tp t; K}re{y
public : q| 1%G Nb
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} xOj#%;
template < typename T > v.Bwg7R3
const Tp & operator ()( const T & r) const A&t8C8,
{ `+n#CWZ"Y
return t; Yu_*P-Ja6
} J4::.r
} ; V=8db%^
(c0L
H
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 +?U[362>
下面就可以修改holder的operator=了 %"Um8`]FVg
P(k*SB|D
template < typename T > Twa(RjB<
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Q^2dZXk~
{ KqntOo}
y)
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); n~ad#iN
} `~)?OTzU#
?DUim1KG
同时也要修改assignment的operator() t"GnmeH
i
?;~E*kzO&
template < typename T2 > IdAh)#)
7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } KMIe%2:b5
现在代码看起来就很一致了。 >=; -:
g:Qq%'
六. 问题2:链式操作 )
~=pt&+
现在让我们来看看如何处理链式操作。 B1 }-
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 uK" T~
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 % akW43cE
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 GuR^L@+ -.
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct U?Jk
Gkuqe3
template < typename T > U,i_}O3Q
struct result_1 lu"0\}7X
{ I#(lxlp"Ho
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Hvk~BP'
m
} ; /ZV2f3;t
P-4$Qksx
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)p|NdTZc8
(dSYb&]
template < typename T > gxVr1DIkN
struct ref zni9
{ q1:dcxR[
typedef T & reference; K^fs#7
} ; hO8xH +;
template < typename T > 1<_][u@
struct ref < T &> 1(BLdP3&
{ /io06)-/n
typedef T & reference; N~$>| gn
} ; 5HOl~E
L'{W|Xb+
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: c<|y/n
crb^TuN
template < typename T > $~FZJ@qa
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Hj{.{V
{ 8*0QVFn$
return l(t) = r(t); Bu=1-8@=qs
} iuY,E
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。 f5 bq)Pm&
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 vmAnBY
n5d8^c! 2
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 `YqtI/-w
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 6o#/[Tz
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 {OPEW`F
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 <Tgy$Hm
最后的布局是: >(a35 b$
Add ?P0b/g
/ \ #b;?:.m\=
Divide 5 y`n?f|nf
/ \ o:QL%J{[
_1 3 Zu|NF
uFI
似乎一切都解决了?不。 J;_4
3eS
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。 AA=Ob$2$
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。 iRrUIWx
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: Qz|T0\=V
~7ZZb*].(
template < typename Right > zG_n x3
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const cQt&%SVT]E
Right & rt) const ~NK $rHwi%
{ rlKR
<4H
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y
]()v
} [M[#f&=Z
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 jOfG}:>e\
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 6ncwa<q5
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 GL O3v.
n;
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 6m?<"y8]
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 XF(D%ygeC
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? {V>F69IU
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: _"
9 q(1
Ps@']]4>W
template < class Action > c0Ih$z
class picker : public Action $}su'EIo
{ vcu@_N 1Dc
public : /.e7#-+?
picker( const Action & act) : Action(act) {} [+D]!&