一. 什么是Lambda &ZPyZj
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 0o!Egq_
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, 'k$j^|r>
-[lOf
DTV"~>@
M[dJQ(
class filler _K>YB>W}7
{ tw]Q5:6
public : ^X?3e1om
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} c(S66lp
} ; >x1?t
i\P)P!
.ktyA+r8v
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: SnW>`
_$qH\>se
LT '2446
&FzZpH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); #.W<[KZf
g"v-hTx
G
C3G=DTt
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 k'{Bhi4
6SD9lgF*-
&Sp2['a!
}W* q
二. 战前分析 lZ }H?n%
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。 B}p{$g!
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 }Ias7d?re
q6>%1~?
d#3E'8
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); K@@[N17/8
/* --------------------------------------------- */ fnO>v/&B
vector < int *> vp( 10 ); 1lQO`CmR6M
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); \ssqIRk
/* --------------------------------------------- */ KP]{=~(
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); vqJjAls
/* --------------------------------------------- */ ;l=ZW
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); +(|
,Ke
/* --------------------------------------------- */ lK3Z}e*eXQ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); (E?X@d iu
/* --------------------------------------------- */ L,wEUI
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); jG&gd<^
2_Otv2
<-m[0zgq
.qk_m-o
看了之后,我们可以思考一些问题: OuF%!~V
1._1, _2是什么? TW}nO|qw
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 e47N 9&4
2._1 = 1是在做什么? 3rw<#t;v
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 :HQQ8uQfb
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 x.~A vJ
}0~4Z)?e3
x\R
8W8M
三. 动工 m'.y,@^B
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: rOd~sa-H
+>S\.h
s4
IX)\z
w0L+Sj db
template < typename T > f^?k?_~PN
class assignment [kyIF\0
{ RwptFO
T value; f&
>[$zh
public : 8!(09gW'>
assignment( const T & v) : value(v) {} VsM~$
)
template < typename T2 >
V
t@]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } y d4\%%]
} ; z<9wh2*M
bs=x>F
v46 5Z
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 [GqQ6\
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment iSg^np
^9*kZV<K
Pwg?a
0B?t:XU ,
class holder TmIw?#q^
{ ^6(Nu|6\@
public : @is !VzE
template < typename T > TO~Z6NA0
assignment < T > operator = ( const T & t) const ' (1`iQ;
{ iy\ 6e k1
return assignment < T > (t); qTUyax
} qz<>9n@o
} ; f,}9~r#
rsgTd\b
8\/$cP"<^
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: %DR8M\d1~H
FH}2wO~ _
static holder _1; J-wF2*0r<
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 sbi+o,%1
u#"L gG.X
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &nyJ :?
而不用手动写一个函数对象。 AeN$AqQd/
\=NS@_t,
*kE<7
51&K
四. 问题分析 78fFAN`
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。 \&Zp/;n
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。 T@)|0M
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Qaeg3f3F3
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 .Do(iYO.L
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Tz?0E"yx
2j
<Y>Y
五. 问题1:一致性 |qFCzK9tD/
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?| }5qpiS"V9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 1ms(03dp
oW
\k%Vj
struct holder $]t3pAI[H0
{ oDBv5
// 3BzC'nplm
template < typename T > iu+r=sp
T & operator ()( const T & r) const z+(V2?xcvt
{ J70r`
return (T & )r; .L#U^H|
} iVe"iH
} ; ?|NMJQsa7
GI _.[
这样的话assignment也必须相应改动: }s++^uX6
!5XH.DYq!
template < typename Left, typename Right > M!)~h<YL
class assignment 3yw`%$d5
{ t#BQB<GI
Left l; UHT2a9rG
Right r; O=E?m=FR"
public : ,z0~VS:g 8
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 'YTSakNJ}
template < typename T2 > 1@W*fVn
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } &=S<StH
} ; s i=m5$V
2{;~Bgd
同时,holder的operator=也需要改动: s5cY>
%;MM+xVVX
template < typename T > |Jpi|'
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const T1[B*RwC
{ O
!
iN
return assignment < holder, T > ( * this , t); &A!?:?3%O
} xjK@Q1MJ
+ko-oZ7V
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。
#m;|QWW
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 |\3X7)^8D
AREpZ2GiU
return l(rhs) = r; fx3oA}
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。 3 =-XA2zJ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ]r.95|V*
wMvAm%}+
template < typename Tp > #)b0&wyW6i
class constant_t Pof]9qE-y
{ }LTy Xo
const Tp t; T7qE
2
public : O'[r,|Q{
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Mv\]uAT`
template < typename T > jWNF3\
const Tp & operator ()( const T & r) const KzWqHq
{ M>g%wg7Ah
return t; #L`'<ge'g*
} bJ5 VlK67R
} ; GX0S9s
K$kI%eGZA
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 :xy4JRcF
下面就可以修改holder的operator=了 `*-rz<G
mGP&NOR0^y
template < typename T > >\4"k4d}
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const R8N*. [
{ Of.%rpgy
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); bBg=X}9
} 7Q>bJ Ek7
/:-Y7M*
同时也要修改assignment的operator() 1.IEs:(;
He)vl.
template < typename T2 > 9gQ
]!Oq
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } T7#}&>
现在代码看起来就很一致了。 ,%<ICusZ
ZZ2vdy38
六. 问题2:链式操作 L <W2a(
现在让我们来看看如何处理链式操作。 =" ;G&)H-
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`P=ekF]
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。 `PS^o#
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。 v4Mn@e_#c
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct aaRc?b'/
uRCZGg&V?#
template < typename T > 4#Cm5xAt6
struct result_1
4"~F
{ JrNqS[c/
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; pKNrEq
} ; *iiyU}x
%@'[g]hk
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: HA`qU
_>RTefL5
template < typename T > 4RL0@)0F
struct ref |] cFsB#G
{ D*}_L
typedef T & reference; mTgsvC
} ; 05s{Z.aK
template < typename T > OKV/=]GS
struct ref < T &> kO/]mNLG
{ u{8:VX
typedef T & reference; Bv{DZ?{s
} ; =.(~`ici~
;Q\MH t*
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 6Ij'z9nJw
AR3v,eOs
template < typename T > w42=tN+B
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const wq:"/2p1
{ @XQItc<
return l(t) = r(t); 8>AST,
} V(wANvH
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。 Ex-?[Hq
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1+v!)Y>Z&
5ggsOqH
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 z$Z{ LR
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: \'.|7{Xu
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 s6(bTO.
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 `G "&IQ8.
最后的布局是: 7u<C&Z/
Add P-?R\(QYtR
/ \ U0@Qc}y
Divide 5 g]Z@_
/ \ 6H^=\
_1 3 Dks"(0g
似乎一切都解决了?不。 _fjHa6S
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。 ^8V8,C)
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。 /Y0oA3am
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: Lq]t6o]
LO@o`JF
template < typename Right > bzyy;`;6Q~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 6<Txkk
Right & rt) const a/TeBx#yG
{ 8iUYZF
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,w%hD*
} t~M0_TnXlP
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Ctx{rf_~
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。 ukc<yc].+?
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。 Jxsch\
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。 |Ng}ZLBM
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。 RC~ C}
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? E~
+g6YlT
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: ub9,Wd"^
T;sF@?
template < class Action >
&Y jUoe
class picker : public Action a St:G*a"
{ %*];XpAE
public : {y`n_
picker( const Action & act) : Action(act) {} SYA0Hiw7P
// all the operator overloaded 1T0s
UIY
} ; q);@iiJ-
cCv@fks
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^0eNv$
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: v,Uu)Z
UTVqoCHA
template < typename Right > )-^[;:B\k"
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const W%@0Y m`7
{ )St`}qu;
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Ma^}7D
/
} 5%]O'h
+wGFJLHJ
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `]4tJJy$
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。 `M!'PMX
;4k/h/o1#
template < typename T > struct picker_maker 'Esz#@R
{ q$kx/6=k
typedef picker < constant_t < T > > result; _18Aek
} ; A7R [~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > PYyT#AcW2
{ AHet,N
typedef picker < T > result; -=GmI1:=$4
} ; u9j1>QU
h3j`X'
下面总的结构就有了: GP0}I@>?
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。 $_O;yz
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 0?*":o30
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 d@ef+-
至此链式操作完美实现。 OZ4% 6/
`>u^Pm
oT i$@q
七. 问题3 FJ2~SKWT
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。 z =C<@ki`
%mRnJgV5k
template < typename T1, typename T2 > 8iC9xSH[%
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const FW:V<{f
{ #{5h6IC
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); o!zo%#0;#)
} DHVfb(H5e
#:8V<rc^
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: o3Z<tI8-V
:czUOZ_
template < typename T1, typename T2 > "c*#ZP
struct result_2 0}9
{ #Yx
/ubg6
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; c/}-pZn<
} ; nU/x,W[}
rw%OA4>
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? LCMn9I
这个差事就留给了holder自己。 p4@0Dz`Q
\L"0Pmt[
LfMN 'Cb
template < int Order > `=E4J2"
class holder; Erm]uI9`
template <> { {+:Vy
class holder < 1 > ~|&To>
{ uOJso2Mx
public : l} W">
yQ0
template < typename T > $fwj8S7$
struct result_1 }[: i!t.m
{ ggUw4w/e
typedef T & result; :.crES7<[X
} ; c>+hY5?C
template < typename T1, typename T2 > +T HBPEq
struct result_2 +kx#"L:
{ eKe[]/}e9
typedef T1 & result; 4okZ
} ; %";ap8J04F
template < typename T > +<'>~lDg
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const hy"=)n(
{ `gdk,L]
return (T & )r; v,c;dlg_
} }i52MI1-XP
template < typename T1, typename T2 > *R8P brN
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const +oiuulA
{ R]N"P:wf@
return (T1 & )r1; Lv@'v4.({
} ]Uul~T
} ; (S8hr,%n
mV|Z5 =f
template <> ~Hvf"bvK|
class holder < 2 > })C}'!+]
{ =~'y' K]
public : }8Nr.gY
template < typename T > 3-_`x9u*
struct result_1 ,@aF#
{ ad`7[fI
typedef T & result; =z#j9'n$@
} ; g3c,x kaO
template < typename T1, typename T2 > Z@bKYfGM
struct result_2 `86})xz{
{ HJ!P]X_J1
typedef T2 & result; \iAs
} ; C,,S<=L:
template < typename T > B1va]=([)W
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const R2y~+tko?
{ s\.\z[1
return (T & )r; .`^wRpa2M
} I]Vkaf I>(
template < typename T1, typename T2 > r^`~GG!,Q
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z8o8>C\d9/
{ 8i^d*:R
return (T2 & )r2; .s>.O6(^%
} uM2 .?>`X
} ; Q$x
3uH\@
Nx<fj=VJ
43Ua@KNi
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> >。 FLQ>,=O
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 4^k+wQU
首先 assignment::operator(int, int)被调用: a>egH
og
)b-KF}]d
return l(i, j) = r(i, j); :</KgR0I
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) y~<_ux,
oEsqLh9a|
return ( int & )i; BCt>P?,UO
return ( int & )j; -fD W>]_
最后执行i = j; #4F0o@Z
可见,参数被正确的选择了。 ]EEac
&J,&>CFc
8YO` TgW
+[Q`I*C
ML7qrc;Rx
八. 中期总结 d8VFa'|
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: b\C1qM4
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 4GexYDk'#
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 `Lr|KuFN
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor f&?
8fB8{
S~V?Qe@&Z
Im@Yx^gc
W@61rT}c
OGPrjL+
Zi.w+V
九. 简化 [~k!wipK
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。 C0;:")6~
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 \+)AQ!E
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: x%55:8{
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 {#&j