一. 什么是Lambda LHCsk{3
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Fqq6^um
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, OWjJxORB
v9RW5
*V^ #ga#A
is;XmF*5=
class filler O>y'Nqz
{ "@3@/I
public : 8ovM\9qT
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} \YJy#2K
} ; t q50fq'
l;X|=eu'
?8@>6IXn
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: Ds8
EMtS
sRHA."A!8
'XOX@UH d
e;YW6}'}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); mABe'"8
b;mSQ4+
\uOdALZ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Zi$ziDz&
/?-7Fg+,
we7c`1E
%GEJnJ
二. 战前分析 9W`Frx'h1
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。 x|64l`Vp(:
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 B6P|Z%E;D6
V}w;Y?]J
aT l c
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ybdd;t}&1
/* --------------------------------------------- */ xG&SX#[2
vector < int *> vp( 10 ); t%1 ^Li
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); O;Y:uHf
/* --------------------------------------------- */ ~}ml*<z@
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); dj6*6qX0'^
/* --------------------------------------------- */ 4pU>x$3$
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); #_
C
/* --------------------------------------------- */ &fP XU*l4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ~|Y>:M+0Z
/* --------------------------------------------- */ Z(0@1l`Z-`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); .y5,x\Pq(
~:Uwg+]j
hPhZUL%
2
+5e0/_V
看了之后,我们可以思考一些问题: ZUXr!v/R:1
1._1, _2是什么? 0o&MB
Dp
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。 =4!nFi
2._1 = 1是在做什么? U_yE&6 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。 7EhN u@5-
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。 [ee%c Xo
C_:k8?
xvLn'8H.
三. 动工 N6QVt f.
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: I 8
4b]a&_-}
%~|HFYd
"%2xR[NF
template < typename T > ~vdkFc(8B
class assignment W{cY6@
{ Ft JjY@#
T value; L *[K>iW
public : wRNroQ
assignment( const T & v) : value(v) {} =dP{ Gh
template < typename T2 > c>bq%}
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 2LY=DL7
} ; !{^\1QK
O OFVnu
9X<OJT;3J
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ;)0w:Zn/[
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment PG5- ;i/
0pe3L
w>?Un,K
_cDF{E+;
class holder _+f+`]iM
{ }}{!u0N},V
public : 6"j_iB
template < typename T > {.e=qQ%P5)
assignment < T > operator = ( const T & t) const :q##fG'm/
{ iP~,n8W
return assignment < T > (t); %T`U^Pnr
} qd@&59zSh
} ; )4Q?aMm
o;F" {RZ
H/F+X?t$0
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: q]&.#&h
[BbutGvj
static holder _1; 1MkI0OZE
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 zRl~^~sY
TTNkr`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8
}'|]JK
而不用手动写一个函数对象。 3.
WF}8
8U2dcx:G3
g8;D/
wz8PtfZ
四. 问题分析 }$su4A@0
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。 0CvsvUN@
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。 z T%U!jqI
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 yTM{|D]$(
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 L7Dh(y=;7
下面我们可以对这几个问题进行分析。 .?C%1a&_l
OIb
五. 问题1:一致性 _K2?YY(#>
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| d4[(8}
x$/
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Tq<2`*Qs
i hL/n
struct holder ^u)z{.z'H/
{ gA#RM5x@
// #PLEPB
template < typename T > Rxpn~QQ
T & operator ()( const T & r) const K2_Qu't0$
{ .o{0+fC#
return (T & )r; \79X{mcd
} ~.Ik#At
} ; G*
%t'jX9
wl=61Mb
这样的话assignment也必须相应改动: w [>;a.$
_S0+;9fhY
template < typename Left, typename Right > ajhEL?%D
class assignment z:Sigo_z[
{ H2gj=krK
Left l; QA!_} N4n
Right r; s,VXc/
public : |8_JY2
R
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 84zTCX
template < typename T2 > %bXx!x8(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ]6Ug>>x5
} ; zkM"cb13q/
u?ek|%Ok
同时,holder的operator=也需要改动: ]T!
}XXK
)-rW&"{U
template < typename T > H14Ic.&
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const YO)$M-]>%J
{ AT
Zhr.
H
return assignment < holder, T > ( * this , t); AZ |yX
}
,"-Rf<q/
G%p~m%zIK
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。 wJb#g0
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 2Tav;LKX
pVp:@0h
return l(rhs) = r; `i~ Y Fr
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 LBQ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 6Sj6i^"
Cm$1$?J
template < typename Tp > +#@"*yj3
class constant_t .k{ j]{k
{ u#7+U\
const Tp t; Q~D`cc|]
public : IHfzZHy
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ~`;rNnOT3
template < typename T > Q\
^[!|
const Tp & operator ()( const T & r) const UCrh/b Tm
{ 3CjL\pIC
return t; W|k0R4K]]
} !33#. @[
} ; iJFs0?*
-u!qrJ*Z
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 stl 1QO(h
下面就可以修改holder的operator=了 c47")2/yO
T Zir>5
template < typename T > ^62|d
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 6!iJ;1PeE
{ C8N{l:1f]
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); uNbH\qd=
} gQSNU_o Z
Vpfp}pL
同时也要修改assignment的operator() z7.|fE)<6
_?7#MWe&
template < typename T2 > g_*T?;!.U
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 8?t"C_>*e
现在代码看起来就很一致了。 /NT[ETMk+
@(``:)Z<b
六. 问题2:链式操作 3XiO@jzre
现在让我们来看看如何处理链式操作。 =!Vf
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。 g o5]<4`r
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。 F-(dRSDNM
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。 T`/IO.2
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct SDG-~(Y
x)rlyjFM
template < typename T > ? Q@kg
struct result_1 PMs z`
{ XB hb`AG
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; @Fv=u
} ; ){s*n=KIO
vqslirC
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: P=L$;xgp
|6:=}dE#[
template < typename T > _,Fny_u=;
struct ref m4k
Bj*6c{
{ gV1[3dW
typedef T & reference; ?71+f{s
} ; (%CZ*L[9Z
template < typename T > Ph&urxH@
struct ref < T &> P27%xV-n>
{ 3T\l]? z
typedef T & reference; `"yxdlXA
} ; y #f
QPR
:_<_[Y]1
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ukgAI<O%
zHWSE7!
template < typename T > ?B@;QjhjiJ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const zxb/
{ i[C~5}%
return l(t) = r(t); 4:3rc7_
1
} ] U@o0
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。 -!RtH |P
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 @YvOoTyb
yn
AB
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 + j+5ud`
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: uxn)R#?
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 kEeo5XN
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 e;bYaM4UX
最后的布局是: %Kh4m7
Add 8rZ!ia!
/ \ CF!Sa 6
Divide 5 MmPU7Nl%X
/ \ _3iHkQr
_1 3 #H [Bb2(j
似乎一切都解决了?不。 72W,FU~OD
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。 I7+9~5p
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。 ~8 H_u
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: +1JH
p1pQU={<
template < typename Right > u*S=[dq
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const qIUfPA=/_
Right & rt) const %A1@&xrbl
{ R;whW:Tx
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ))D:8l@
} 6dH }]~a
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Xy ,lA4IP
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。 Bm$"WbOq*R
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。 KAA-G2%M
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。 n>3U_yt6b
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。 V!%jf:k
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? IH48|sa
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: ~\p]~qQ\K
MiT}L
template < class Action > v dbO(
class picker : public Action .9*wY0:
{ wZT%Ee\D%
public : 8kE]_t
picker( const Action & act) : Action(act) {} ',3HlOJ:
// all the operator overloaded gwrYLZNGI
} ; p;)"
%)jxW{
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。 rVvR!"//yH
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: 5hj
VpfUm?Nq
template < typename Right > 'X).y1'
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const !J1rRPV
{ +:=(#Y
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); (YBMsh
} %V&n*3
T#%/s?_>.
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Sgim3):Z
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。 C`=p+2I]
r;9 r!$d
template < typename T > struct picker_maker 7*Qk`*Ii
{ .LVQx
typedef picker < constant_t < T > > result; Ng><n}
} ; h2z_,`iS7
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > dG QG!l+>
{ 8 a!Rb-Q:
typedef picker < T > result; \}6;Kf}\
} ; 3<=,1 cU
spU)]4P&
下面总的结构就有了: 0tISXu-
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。 d\MLOXnLq;
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。 `
8W*
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 lPH%Do>K
至此链式操作完美实现。 2Y}?P+:%>
h'J|K^na
H|ozDA
七. 问题3 rrg96WD
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。 $p!yhn7
}7fZ[J3
template < typename T1, typename T2 > ^
PI 5L
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~vLW.:
{ gM>t0)mGK
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); L!/\8-&$P
} 4${jr\q]
~DO4,
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(.f
5vo.[^ty
template < typename T1, typename T2 > j.a`N2]WE
struct result_2 jA".r'D%
{ kdz=ltw
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; -?]W*f
} ; #QCphhG
&1%q"\VI
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? zX5!vaEv
这个差事就留给了holder自己。 ['z[
7\_o.(g#-
a{!QOX%K
template < int Order > 8u[-'pV!
class holder; i'stw6*J
template <> ,F&g5'
class holder < 1 > VxP&j0M>
{ %0#1t 5g
public : gOgps:
template < typename T > `[o)<<}
struct result_1 4'W '}o|{
{ Z,BC*
typedef T & result; Ehzo05/!
} ; &DqE{bBd!
template < typename T1, typename T2 > dd2[yKC`
struct result_2 Y|8vO
{ \xg]oKbn
typedef T1 & result; Y`+=p@2O2o
} ; k6`6Mjbc
template < typename T > L
lqM c
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const (F7(^.MG
{ j4=(H:c~E
return (T & )r; zf3v5Hk
} yH][(o=2
template < typename T1, typename T2 > AM=z`0so
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const kq\)MQ"/X
{ .CP&bJP%
return (T1 & )r1; A^Kbsc
} nRd)++
} ; 4|A>b})H
-}K<ni6
template <> 9&<x17'
class holder < 2 > B|o2K}%f
{ BL@:!t
public : T843":
template < typename T > F~ Lx|)0M
struct result_1 h|X^dQb]
{ $ d?.2Kg
typedef T & result; ;?C#IU
} ; 9@Cv5L?p\
template < typename T1, typename T2 > bINvqv0v
struct result_2 d1[ZHio2c?
{ 8Sz})UZ
typedef T2 & result; Spt?>sm
} ; Y8flrM2CwG
template < typename T > J>d.dq>r
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const O-)-YVU
{ U]a*uF~h
return (T & )r; !3T&4t
} mf'V)
template < typename T1, typename T2 > P2Vg 4
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \h8 <cTQ
{ zbJT&@z
return (T2 & )r2; ctcS:<r/3@
} !!Z?[rj
} ; dz Zb
`~eUee3b.~
QeF3qXI
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> >。 vloF::1
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ftH:r_"O#
首先 assignment::operator(int, int)被调用: KZPEG!-5
B=|cS;bM$3
return l(i, j) = r(i, j); X$/2[o#g
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) dH( ('u[
NHlk|Y#6b
return ( int & )i; uslQ*7S[^
return ( int & )j; +}jJ&Z9)
最后执行i = j; XrZ*1V
可见,参数被正确的选择了。 V)}rEX
v%Wx4v@%SE
<$JaWL
v+99
-.
F2X0%te
八. 中期总结 RejQ5'Neh
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: I!^O)4QRx
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 fFQ|T:vm
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 [`
sL?&a
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor #:SNHM^><
4`,j =3
Dc)dE2
s.8{5jVG
:6%Z]tt
B7imV@<
九. 简化 &c1A*Pl/:G
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。 dO%W+K
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 7 [0L9\xm
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: sJNFFOz
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 $ MC)}l
+-*/&|^等 5atYOep
2. 返回引用。 8_N]e'WUh
=,各种复合赋值等 ;| 1$Q!4
3. 返回固定类型。 <tioJG{OT
各种逻辑/比较操作符(返回bool)
O#I1V K
4. 原样返回。 Sfdu`MQR
operator, .ji_nZ4.+
5. 返回解引用的类型。 Ha)ANAD
operator*(单目) :,)lm.}]t
6. 返回地址。 <F04GO\
operator&(单目) "jw<V,,
7. 下表访问返回类型。 T1H"\+
operator[] OrK&RC
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 P9 Z}H(?C
operator<<和operator>> )2M>3C6>f
~y7jCcd`
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 W5R\Q,x6
例如针对第一条,我们实现一个policy类: K<>sOWZ'S
@e{^`\ l=<
template < typename Left > ^aW
Z!gi
struct value_return t45Z@hmcW
{ 0bo/XUpi
template < typename T > }}<z/zN&^
struct result_1 c/uNM
{ x#:| }pR
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; "^Ybs'-
} ; G+F:99A
!^ _"~
template < typename T1, typename T2 > %.vVEy
struct result_2 `/_G$_
{ 4ni3kmvX
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; M+x,opl
} ; "!EcbR
} ; edPUG
N
H$6`{lx,
r
hfb ftw
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait M>/Zbnq
fj&i63?e
下面我们来剥离functor中的operator() >]c*'~G&