一. 什么是Lambda ?cCh?>h
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 >BMJA:j
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, :aLShxKA
gWqmK/.U.0
[wRk)kl`
oh%T4$
class filler VXZd RsV8T
{ ;gy_Q f2U
public : .}kUD]pW
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} u!oHP
} ; a+)Yk8%KY
f'TjR#w
DUEA"m h
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: U# Y?'3 :
wd~e3%JM
,!F'h:
TgJx%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); %MU<S9k
1sYwFr 5
HB {w:
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ,f0cy\.?
\K`AO{ D@
p*_g0_^
HGfYL')Z
二. 战前分析 6.~HbN
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。 c~ l$_A
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 cz
OhSbmc
(k6=o';y
/],:sS7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); P9:7_Vc
/* --------------------------------------------- */ G~a;q+7v'$
vector < int *> vp( 10 ); *y5d&4G2
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Otj=vGr0
/* --------------------------------------------- */ %bZ3^ ub}t
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ;H_yNrwA
/* --------------------------------------------- */ # Fw<R'c
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); t<$9!"
/* --------------------------------------------- */ ($7>\"+Tl
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Zg5@l3w
/* --------------------------------------------- */ M7Cq)cT
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); <d#9d.<
(3 8.s:-
?(*KQ#d
8xDSeXh;
看了之后,我们可以思考一些问题: jkQv cU
1._1, _2是什么? &.an-
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 )AXTi4MNp
2._1 = 1是在做什么? Cq
!VMl>hP
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 8II-'%S6q
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 -0YS$v%au>
0@C`QW%m
~bL(mq
三. 动工 8? W\kf$
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: "^;'.~@e8
)_NQ*m
f";70}_
,8;;#XR3
template < typename T > v[e$RH
class assignment =y,_FFoS
{ _:+W0YS
T value; (:,N?bg
public : @{@x2'-A
assignment( const T & v) : value(v) {} Itr yiU9
template < typename T2 > fxI>FhU_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ]]d9\fw
} ; D}HW7Hnu^
KNC!T@O|{#
;x@9@6_
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 `XP]y=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment /(BQzCP9O;
zc'!a"
pTOS}A[dh
1Nx%uz
class holder 9j49#wG0"B
{ _T6WA&;8
public : [`=|^2n?
template < typename T > ?:s `}b
assignment < T > operator = ( const T & t) const L=Dd`
{ 5Jp@n .
return assignment < T > (t); 28d:
} .oO_x>
} ; =9i:R!,W
R5X<8(4p
]Q-ON&/
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: #PVgx9T=_
]r$S{<
static holder _1; Nj %!N
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 -1Lh="US
i:&Y{iPQp
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ZUQ1\Iw
而不用手动写一个函数对象。 LZ|G" 5X[
H_ .@{8I
}LM^>M%
KAjKv_6=g
四. 问题分析 F04`MY"
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。 j{7_p$JM
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 W6K]jIQ
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 }bIEW ho
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 @0A0\2
下面我们可以对这几个问题进行分析。 uDafPTF
}z,4IHNn
五. 问题1:一致性 |m"2B]"@
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| -F4CHpua
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 O#H `/z
}{ pNasAU
struct holder A*n '"+_
{ r*>XkM& M
// y{?
6U>_
template < typename T > hDl& K E
T & operator ()( const T & r) const bG^E]a/D
{ CmJI"
return (T & )r; mz+>rc
} xaoaZ3Ko
} ; x|U]x
ti`z:8n7
这样的话assignment也必须相应改动: Zu$f-_"
/!eC;qp;[
template < typename Left, typename Right > {3$ge
class assignment }qmZ
{ ?)",}XL6
Left l; I:]s/r7
Right r; Vd)iv\a
public : cI?dvfU?
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} S@Yb)">ZQ
template < typename T2 > }dAb}0XK.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Zul]ekv
} ; EqUiC*u8{I
"%A/bv\u
同时,holder的operator=也需要改动: [LL"86D
zO9$fU
template < typename T > (vz)GrH>
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const d7It}7@9
{ W2%(a0p
return assignment < holder, T > ( * this , t); 5;>M&qmN
} kzLj1Ix2
n1y#gC
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。 r7C
m
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 GaSk&'n$Y
+TpM7QaL
return l(rhs) = r; w{F8]N>0<
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 cGsP0LkHC
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: cP$b>3O
G&/}P$
template < typename Tp > n2Dnpe:
class constant_t O(~`fN?n
{ 5|r3i \
const Tp t; 8$v17 3
public : UG
Fx
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} UmiW_JB
template < typename T > ^^jF*)DT@
const Tp & operator ()( const T & r) const ~b3xn T
{ G/Kz_Y,
return t; | (v/>t
} MZn7gT0
} ; ?lR)Hi
%ghQ#dZ]&
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ^5 F-7R8Q
下面就可以修改holder的operator=了 <H}"xp)j0
nl*{@R.q @
template < typename T > u 6la
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const #c+N}eX{
{ /-^gK^
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); WE|L{
} fS1N(RZ1
~<Gs<c}z
同时也要修改assignment的operator() 9s73mu`Twg
R(k6S
template < typename T2 > z;#}uC
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } u\^<V)
现在代码看起来就很一致了。 Iy8gQdI
@o9EX }
六. 问题2:链式操作 []3xb`<&
现在让我们来看看如何处理链式操作。 #mk#&i3"k
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 *vJ1~SRV
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ?F
AsV&y
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 qAR~js`5
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct !ye%A&
VG&|fekF
template < typename T > 9.zy`}
struct result_1 q{yz]H,
{ >^|\wy
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; /y@$|DI1
} ; +_:Ih,-
0m7J'gm{
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: ?tqTG2! (
e>nRJH8pK
template < typename T > ,EcmMI^A
struct ref "}7K>|a
{ kVkV~
typedef T & reference; >5/dmHPc
} ; o[+1O
template < typename T > b[GZ sXD-
struct ref < T &> a=p3oh?%-O
{ pUwx`"DrR
typedef T & reference; ppb]RN|)
} ; wA.YEI|CSj
S;+bQ.
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: *N\U{)b\
Vfg144FG'
template < typename T > ;lW0p8
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 0eq>
{ Yx(?KN7V?
return l(t) = r(t); YOGwQ
} K+ ufcct
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。 zJ|Ek"R.
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1kb?y4xeJ
K JPB-
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 F3H)B:
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: pA(@gisg
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 6/nhz6=
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 <G 2;nvRr
最后的布局是: 3t68cdFlz
Add zhHQJcQ.
/ \ `u %//m_(
Divide 5 !fzqpl\ze
/ \ u6t.$a!5
_1 3 pL-p
似乎一切都解决了?不。 ecA0z
c~
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 B
wtD!de$
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。 COJqVC(#
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: -H Zvz[u
}`f%"Z
template < typename Right > )w;XicT
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const qZKU=HM
Right & rt) const t+m$lqm
{ aWOApXJ
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ^YenS6`F
} ~`T(mh',
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 j\@s pbE@
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 iknB c-TLD
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 9Hlu%R
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 hd/5*C{s
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 9p2"5x
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ,8+SQo#3
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: j,EE`g&
PovPO
template < class Action > :E4i@ O7%
class picker : public Action cU%#oEMf<
{ uZm<:d2%)
public : `5[VO
picker( const Action & act) : Action(act) {} ^L]+e
// all the operator overloaded ?v8RY,Q30
} ; \&@Tq-o
#^!oP$>1
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。 RX?Nv4-
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: *|_u~v:)|5
9e=F
template < typename Right > fJc,KZy
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ;`X -.45
{ qZ`@Ro
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @iC!Q>D
} )bi*y`UM]
@hl5^d"l
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > N<"_5
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)iQ3_&=
>hB]T%'
template < typename T > struct picker_maker sGMC$%e}
{ [gIStKe
typedef picker < constant_t < T > > result; X*$ 7g;
} ; 2$qeNy
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > pOIFO=k
{ RTLu]Bry
typedef picker < T > result; `!!A;G7Qg
} ; dL6sb;7R
d/P$q MD
下面总的结构就有了: I[tU}oj P
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。 +vDT^|2SF
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。 }-:
d*YtK
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 () b0Sh=
至此链式操作完美实现。 =*8"ci$
1PLKcU
~z32%k
七. 问题3 jqb,^T|j;m
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。 Zu&trxnNf[
kJJQcjAP:
template < typename T1, typename T2 > .7~Kfm@2
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const oUltr
{ :T%,.sH
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); (Clf]\_II
} k(%RX_]C
8ru@ 8|r
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: F3';oyy
>[ lj8n
template < typename T1, typename T2 > j1**Ch/
struct result_2 8V=I[UF.1?
{ E<-}Jc1
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; `1M_rG1/+
} ; PM%./
O=c&
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? *DDfdn
这个差事就留给了holder自己。 IGu*#>h
RD{jYr;
=k3QymA
template < int Order > '["Y;/>
class holder; =wS:)%u
template <> z-krL: A
class holder < 1 > PcDPRX!@
{ .u
W_(Rqg
public : gj6"U{D
template < typename T > ` Bkba:
struct result_1 %4n=qK9T5
{ ZPZ1
7-
typedef T & result; [r^f5;Z
} ; #?}Y~Oe
template < typename T1, typename T2 > Y$oBsg\v
struct result_2 8ne5 B4
{ 6\~m{@
typedef T1 & result; M 80U s.
} ; iDHmS6_c
template < typename T > r)U9u 0
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;#rtV;
{ `z+:Z>>
return (T & )r; U?xl%qF`)
} G>#L
template < typename T1, typename T2 > Br-y`s~cP
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const #cjB <APY
{ #BT=
K
return (T1 & )r1; UT[KwM{y
}
JhB{aW>
} ; Fo~C,@/Qt
2<u vz<B
template <> Z( xn-
class holder < 2 > V :d/;~
{ hDmVv;M:
public : ='soSnT
template < typename T > AbcLHV.
struct result_1 bs_I{bCu?
{ Hb!Q}V+Kb8
typedef T & result; 2uiiTg>
} ; xu&
v(C9
template < typename T1, typename T2 > H(?z?2b p
struct result_2 {(xNC#
{ 6@Eip[e
typedef T2 & result; 9;h1;9sC|
} ; <`6-J `.
template < typename T > _|*3uGo:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const U$0#j
{ =_
-@1
1a
return (T & )r; $Fd9iJ!k
} 9J2%9,^
template < typename T1, typename T2 > {wA@5+[
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const wond>m
3
{ ^IQC:21
return (T2 & )r2; N;Hf7K
} @iWIgL
} ; H+*o @0C\~
eDTEy;^o
rl4daV&,U
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> >。 9O}YtX2
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Q
v{q:=k
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ,JVD ;u
{#Gr=iv~N
return l(i, j) = r(i, j); yKfRwO[j
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) PX]A1Kt?
3~Ipcr
B
return ( int & )i; /6L\`\g
return ( int & )j; jL`S6E?7
最后执行i = j; '1.T-.4>&
可见,参数被正确的选择了。 ?CmW{9O
4P2)fLmc
#a}fI
/H!I90
v\\Z[,dK
八. 中期总结 0YIvE\-
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: ;t*45
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 xj%h-@o6
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 b.ow0WYe
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ,)oUdwR k
<=jE,6_|
fkk\Q>J9!=
$!KV]]
zL)m!:_
w_\niqm<y
九. 简化 Z8nNZ<k
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 LD^V="d
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 % YU(,83(+
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: EJZl'CR
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 e ~*qi&,4
+-*/&|^等 N,Y<mX
2. 返回引用。 *K m%Vl
=,各种复合赋值等 6 D~b9e
3. 返回固定类型。 4[+n;OI
各种逻辑/比较操作符(返回bool) -?'u"*#1,
4. 原样返回。 m=j7 vb
operator, Ng+k{vAj
5. 返回解引用的类型。 ?~u"w OH'
operator*(单目) =@{H7z(p&
6. 返回地址。 W13$-hf9
operator&(单目)
U Y)YhXW
7. 下表访问返回类型。 JH<q7Y6!y
operator[] Ybd){Je"z
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 *"1]NAz+
operator<<和operator>> c%i/ '<Afr
3haY{CEr
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。 D97oS!*
例如针对第一条,我们实现一个policy类: SDdK5@1O4o
bl}$x/
template < typename Left > ~?[@KK
struct value_return 9e8@0?0
{ oa;[[2c
template < typename T > wf8vKl#Kfw
struct result_1 1Qf5H!5vx
{ t{84ioJ"$
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; <\Y>y+$3
} ; Y@#~8\_
eMWY[f3
template < typename T1, typename T2 > mn
8A%6W
struct result_2 T6AFwo,Q
{ {WFYNEQ[
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; R2u[IVZW:-
} ; p?8>9
} ; :
<m0
GG
AO/J:`
i3#]_ p{
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait yUNl)E
vxbO>c
下面我们来剥离functor中的operator() V-J\!CHX
首先operator里面的代码全是下面的形式: B.{0,bW?
C"hc.A&4
return l(t) op r(t) gKS^-X{x
return l(t1, t2) op r(t1, t2) tTQ>pg1{qh
return op l(t) PjRKYa_U
return op l(t1, t2) SU
H^ ]4>
return l(t) op S}*#$naK
return l(t1, t2) op r1F5&?{q
return l(t)[r(t)] J+Y&