一. 什么是Lambda #:SNHM^><
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Agrk|wPK
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, Hc`A3SMR
Bj7gQ%>H4
irjP>3_e
&c1A*Pl/:G
class filler dO%W+K
{ 8_N]e'WUh
public : K(aJi,e>
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} * RtgC/
} ; *?MGMhE
av~5l4YL
.ji_nZ4.+
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: Ha)ANAD
:,)lm.}]t
<F04GO\
"jw<V,,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); T1H"\+
OrK&RC
P9 Z}H(?C
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 )2M>3C6>f
~y7jCcd`
W5R\Q,x6
64
5z#_}C$
二. 战前分析 8U_{|]M
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。 W6Y@U$P#G
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 D+>1]ij
0iJue&
|ZQ@fmvL/p
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); X]'7Ov
/* --------------------------------------------- */ ,~._}E&9I
vector < int *> vp( 10 ); %; D.vKoh
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); xMBaVlEN
/* --------------------------------------------- */ -
|gmQG
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 7VP32Eh[
/* --------------------------------------------- */ +]Y,q
w
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Tyck/ EO
/* --------------------------------------------- */ $kQ~d8 O
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); eY e, r
/* --------------------------------------------- */ 1UQHq@aM
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); G%Lt.?m[
N;[>,0&z
$cZUM}@
[pM V?a[
看了之后,我们可以思考一些问题:
a`0=AQ
1._1, _2是什么? ,GgAsj: K
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 "]G\9b)
2._1 = 1是在做什么? 9HX =T%
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 0P]E6hWgg
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 wm^J;<T[
Z:_D0jG
BGfzslK
三. 动工 y8DhOlewQ
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ZIF49`Y4TF
12+>5BA
<'g:T(t
?C/Te)
template < typename T > [
I/<_AT#
class assignment QMZ)-ty"
{ v~Y^r2
T value; +[tP_%/r'^
public : }m-FGk
assignment( const T & v) : value(v) {} ^7Fh{q4IE
template < typename T2 > ~^cMys |'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } x]33LQ1]
} ; /S lYm-uQ+
1PatH[T[
hh[jN7K
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 x@Hc@R<!
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment )[Yv?>ib
+k>.Q0n%m
5v6Eii:
=ha{Ziryo
class holder &:7ZQ1
{ k%G1i-]4
public : Ft!],n-n*
template < typename T > { .?/)
assignment < T > operator = ( const T & t) const 71{p+3Z&
{ rX1QMR7?
return assignment < T > (t); ]H1I,`=@
} =3v]gOcO
} ; LA)[ip4
%?Ev|:i`@
qQH]`#P
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: @qHNE,K
f@c`8L@g
static holder _1; ~b2wBs)r
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 wLH] <k
nxl[d\ap+n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); VZl6t;cn
而不用手动写一个函数对象。 Qg<(u?7N
.?hP7;hhI
s4uhsJL V$
k{Aj^O3gD
四. 问题分析 z.I9wQ]X[
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。 /n8B,-Z5s5
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。 '3 ^+{=q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 RnDt)3
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 *VZ5B<Ic
下面我们可以对这几个问题进行分析。 r#B+(X7LM
Kp,M"Y
五. 问题1:一致性 -Zz$~$
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?| w4d--[Q
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 .>IhN 5
MHC^8VL
struct holder _> *jH'
{ !U~WK$BP
// E\4 +_L_j
template < typename T > = MOj|NR [
T & operator ()( const T & r) const 4%3Mb-#Y]
{ QhK#Y{xY
return (T & )r; go<W( ,O
} ..R-Ms)k=
} ; [bk?!0]aV
X.e7A/ClEo
这样的话assignment也必须相应改动: 5>\/[I/!
BV[ 5}
template < typename Left, typename Right > w&KK3*=""
class assignment X<%Q"2hW
{ mFZ?hOyP.
Left l; E3iW-B8u8
Right r; :B:"NyPA
public : 6 M*O{f
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} n= u&uqA*
template < typename T2 > &sL&\+=<(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } %V ;?
} ; M%0C_=zg
y7i*s^ys{
同时,holder的operator=也需要改动: IDG}ZlG
\9g+^vQg
template < typename T > *NCl fkZ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 9& 83n(m
{ 6 jn3`D
return assignment < holder, T > ( * this , t); wD]/{
jw
} s=QAO!aw
>M/V oV
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 xsMBC
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ~'CE[G5
A?pbWt~}
return l(rhs) = r; g #6E|n
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 u[
Yk
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 6gs01c,BA
D'Y-6W3
template < typename Tp > m-*hygkcDu
class constant_t vCwe'q`1
{ H"dJ6
const Tp t; M!XsJ<jN/
public : z=3\Ab
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} k-{<=>uM
template < typename T > sH[ROm
const Tp & operator ()( const T & r) const u!W0P6
{ +lMX{es\O
return t; Y1J=3Y
} ssN6M./6
} ; ktpaU,%
w_{wBL[3e
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 hK,Sf ;5V
下面就可以修改holder的operator=了 [6XF=L,!
Xn%pNxUL
template < typename T > L>RP-x>
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ]h
%Wiw
{ Q{5kxw1ZF
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 3skC$mpJHw
} ,~]tg77
<
RH UH)I
同时也要修改assignment的operator() 57&b:0`p
S-|)QGxV6
template < typename T2 > VeQg-#&I
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } vz7J-CH
现在代码看起来就很一致了。 j4R(B
5X:*/FuS@
六. 问题2:链式操作 xM&Wgei]10
现在让我们来看看如何处理链式操作。 8;+B*+%@n
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。 'GS"8w~j
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。 --c"0,7
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。 $NZ-{dY{
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct gh8F2V;<
EKsT~SS
template < typename T > ;k>&FWEG
struct result_1 #T=LR@y
{ +w{*Xk)4
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; m4l&
eEp
} ; 283F)T\Rv
I
,z3xU
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: tAv@R&W,
t~#zMUfac
template < typename T > sWc*5Rt
struct ref /! "|_W|n
{ s)6U_
typedef T & reference; E(8*
pI
} ; a@UZb
template < typename T > <?riU\-]y
struct ref < T &> ='s(|
{ [nrYpb4
typedef T & reference; G?;e-OhV
} ; sE Q=dcK
yEhTNBa*h{
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :<bB?N(
#0P$M!%
template < typename T > 4O )1uF;
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const v{ 0=
{ 0dGAP
return l(t) = r(t); e'~J,(fB
} 5?3Me59
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。 UJCYs`y
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 IpcNuZo9&
lE&&_INHQ
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 /2=#t-p+
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: GycSwQ
,
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 3@M|m<_R$
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 { +
Zd*)M[
最后的布局是: Pa
V@aM~3
Add '+?"iVVo
/ \ pu
7{a
Divide 5 0;AA/
/ \ iV *q2<>
_1 3 0 Tx{3#
似乎一切都解决了?不。 CzRc%%BA
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。 XF;ES3 d
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。 Of[XKFn_
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: 3TY5 ;6
_lGdUt 2
template < typename Right > |yQZt/*SOZ
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const iB%gPoDCL@
Right & rt) const w~"KA6^
{ o7sT=x9
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ->y J5smtY
} MbZJ;,e?
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 N D(/uyI
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。 #t:S.A@
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。 XBb~\p3y
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。 -- %N8L;e
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。 kt["m.
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? M42Ssn)
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: U |Jo{(Y
(`c
[#0=n
template < class Action > AP7Yuv`
class picker : public Action ]+XYEv
{ xp}hev^@$
public : Z{ X|6.
picker( const Action & act) : Action(act) {} jB$IyQ;@
// all the operator overloaded ]yx$(6_U
} ; zMm#Rhn
d%RC
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。 |
r&k48@
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: T`\x,`
^
|:xYE{*)H
template < typename Right > $JJrSwR<h
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const $Q96,rb}k;
{ HkUWehVm
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); pgI^4h
} Lvq>v0|
)4gJd?
8R
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 6@{(;~r
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 LcSX *MC
[y'f|XN
template < typename T > struct picker_maker 723bkJw
V
{ 3=FZ9>by
typedef picker < constant_t < T > > result; snf~}:&
} ; toya fHf
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Mc09ES
{ s:#V(<J
typedef picker < T > result; sk,ox~0R
} ; mpI5J'>]
q)S^P>
下面总的结构就有了: }z _
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 2jg-
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 P@$/P99
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 G7qG$wd8h
至此链式操作完美实现。 Xm%D><CC8"
/ ';0H_
juka0/
七. 问题3 zR1^I~
%
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 @z4*.S&tz
;V*R*R
template < typename T1, typename T2 > }XV+gyG=@
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const #(#Wv?r6
{ Z&1T
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); rz wF~-m +
} p^%YBY#,H
FT#8L
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: u37'~&o{U
?Z Rs\+{vG
template < typename T1, typename T2 > 6*B1 9+-
struct result_2 [F0s!,P
{ ~$:|VHl
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; q3.j"WaP
} ; `k[-M2[
Szq/hv=Q
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? v 1z
这个差事就留给了holder自己。 \K@'Z
)6,de2Pb
yj;sSRT
template < int Order > y .#")IAF
class holder; dv8>[#
template <> /^X/ 8
class holder < 1 > y#Fv+`YDl
{ Rn`x7(WA
public : b$ve sJ
template < typename T > a`&f
struct result_1 { /K.3
{ WN{ 9
typedef T & result; 0fF(Z0R,
} ; Pz>s6 [ob
template < typename T1, typename T2 > R:e<W/P"
struct result_2 hd>aZ"nm1
{ q qpgy7
typedef T1 & result; PD&\LbuG
} ; u<3HQ.:;
template < typename T > (qqOjz
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const WG N=Y~E
{ d
F9!G;V
return (T & )r; Cdas P9"1
} y4*U6+ #.
template < typename T1, typename T2 > A'q#I>j`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const TD1 [
{ &Q;sSIc
return (T1 & )r1; ud xZ0
} QrB@cK]
} ; KM}f:_J*lg
]+|~cRQ9I
template <> Y
;u<GOe
class holder < 2 > 4wID]bKM
{ 5mJ JU
public : GNXHM*~
template < typename T > PZE0}>z
struct result_1 /2UH=Q!x4E
{ :*ing
typedef T & result; 0y
7"SiFY
} ; -BRc8 /
template < typename T1, typename T2 > bSfpbo4(
struct result_2 6|aKL[%6
{ 5b!vgm#])
typedef T2 & result; ;i
Fz?d3;
} ; !lf|7
template < typename T > ap&?r`Tu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const XWA:J^
{ MaRi+3F
return (T & )r; zo +nq%=
} ~%^
tB
template < typename T1, typename T2 > bu:S:`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const k5D%y3|9
{ (@%gS[]
return (T2 & )r2; V.O(S\
} xl6,s>ob
} ; plb!.g
]$Yvj!K*Q
Fs{x(_LOr
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> >。 q;<h[b?
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: _CW(PsfY
首先 assignment::operator(int, int)被调用: E=e*VEjy
85n1eE
return l(i, j) = r(i, j);
tNGp\~
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) |?qquD 4=
}._eIx"
return ( int & )i; A6:es_
return ( int & )j; k"NVV$;
最后执行i = j; DE%KW:Hug
可见,参数被正确的选择了。 ~-EOjX(X'E
K[ (NTp$E
9cf:pXMi
@!`Xl*l
}dp=?AFg
八. 中期总结 2.% .Z_k)
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: ^C_#<m_k
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ppZDGpp
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 H
*[_cqnv
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor IB[)TZ2m
i'9vL:3
~~v3p>z Rr
m=}B,']O
p?B=1vn-2
2Ou[u#H
九. 简化 >sWp?
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 'yL%3h
_@
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 !P)O(i=
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: a4XU?-sUh
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 kKAP"'v
+-*/&|^等 .Nw=[
2. 返回引用。 a#>Yh;FA
=,各种复合赋值等 MC<PM6w
3. 返回固定类型。 _(h&7P9
各种逻辑/比较操作符(返回bool) T(t+
iv
4. 原样返回。 \De{9v
operator, c- }X_)U }
5. 返回解引用的类型。 c17_2 @N
operator*(单目) _tBTE%sO
6. 返回地址。 S<4c
r
operator&(单目) sC='_h
7. 下表访问返回类型。 TMig-y*[
operator[] poToeagZ~Q
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 u/M+u;
operator<<和operator>> w,h`s.AN
JKGc3j,+#
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 dR"@`
例如针对第一条,我们实现一个policy类: v#.r.{t
7T1=q{#M
template < typename Left > -?mfE+kt
struct value_return 8Le||)y,\
{ (>r[-Bft
template < typename T > Cq%IE^g<
struct result_1 )rekY;
{ gLy&esJl1
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; m06ALD_
} ; {buo^kgj`]
@}@Z8$G^
template < typename T1, typename T2 > k&,~qoU
struct result_2 Q
aS\(_
{ G&4&-<
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; sOU1n
} ; !"\80LP
} ; P/Q!<I
K#pNec
\=6l9Lrj>h
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait &ge "x{,?
4scNSeW
下面我们来剥离functor中的operator() XDFx.)t
首先operator里面的代码全是下面的形式: ~zJ?H<>
;i<|9{;
return l(t) op r(t) D^=J|7e
return l(t1, t2) op r(t1, t2) Pmh8sw
return op l(t) wS%Q<uK
return op l(t1, t2) e A#;AQm
return l(t) op ;4.!H,d
return l(t1, t2) op 4A_[PM
return l(t)[r(t)] MP!d4
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] aFS,GiB
Q$="_y2cTA
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: hM{{\yZS
单目: return f(l(t), r(t)); yF"1#{*y
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); =y0C1LD+
双目: return f(l(t)); B2C$N0R#
return f(l(t1, t2)); JV]^zW
下面就是f的实现,以operator/为例 OH">b6>\
?XA2&
struct meta_divide /f|X(docI
{ \lZf<