一. 什么是Lambda 0MOAd!N
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Zwcb5\Q
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, ovl@[>OB
eZv0"FK
X
o^ 4+eE
OhTO*C8
class filler s[g1ei9
{ 'fB `e]_
public : dcA0k
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} pxN'E;P-
} ; P$Dr6;
qHj4`&
c*h5lM'n6
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: ,kP{3.#Q
^\!^#rO
7+c@pEU]
C{Fo^-3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); =:b/z1-v
#: F)A_Y
3lJK[V{'#'
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 1ID!rxE
`8Om*{xg
"[%NXan
j}|6k6t
二. 战前分析 =}L[/ RL
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。 ~2qFA2
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 <I>q1m?KN
C$5v:Fk
:sn}D~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); `SVR_
/* --------------------------------------------- */ D&'".N,}
vector < int *> vp( 10 ); [:o#d`^
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 5!Guf?i
/* --------------------------------------------- */ s)C.e# xl
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); =m40{
/* --------------------------------------------- */ qj|GAGrQ2
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); q\~7z1
/* --------------------------------------------- */ LP87X-qkjW
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 9=/8d`r
/* --------------------------------------------- */ WgIVhj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); V=c&QPP
f="}.
T4UY%E!0
Cr&ua|%F
看了之后,我们可以思考一些问题: h m"B kOA
1._1, _2是什么? G0^PnE0-
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 464Z0C
2._1 = 1是在做什么? n_!&Wr^CX
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 bi5'- .B
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 u&<LW4
iZ58;`
l"-D@]"
三. 动工 oU2RxK->u
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: HiWZ?G
:\>UZ9h #
o;O_N^_W
B<oi,S
template < typename T > Ywni2-)<
class assignment 3w-0v"j U
{ VTF),e!
T value; )j$Bo{
public : -H]svOX
assignment( const T & v) : value(v) {} ^yX
W.s
template < typename T2 > :!|xg!|y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } |k^X!C 0
} ; 3B_S>0H"$
Ug9o/I@}C
g` Wr3
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 !ine|NM
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment KL xg
wCdUYgsPT"
ubgq8@;
OZ-F+#d
class holder TEYbB=.
{ 86I".R$d
public : >
4^U=T#
template < typename T > # ><.zZ
assignment < T > operator = ( const T & t) const gKPV*
{ _Q7)FK
return assignment < T > (t); { u;ntDr
} V9MA)If>
} ; <uAqb Wu
T"2ye9a
6=zme6D
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: UgUW4x'+
wOOPuCw?
static holder _1; ch-GmAj
9
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ;mMn-+ 3<
`W-:@?PmQx
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); gs. K,x ma
而不用手动写一个函数对象。 Wima=xYe\5
l\S..B
+
MF& +4$q
\^_F>M
四. 问题分析 Z{e5 OJ
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。 7igrRU#1%
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。 ,CCIg9Pt
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Kr9 @
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 l5aQDkp}
下面我们可以对这几个问题进行分析。 > sUk6Z~
VJwzYl
五. 问题1:一致性 JiRW|+`pe
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?| $bN%x/
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;ymUMQ%;/
&3AGj,
struct holder WJ
mj|$D
{ /423!g0Q
// f}@]dF r
template < typename T > c|I{U[(U
T & operator ()( const T & r) const tv?~LJYN
{ u[cbRn,W
return (T & )r; hLBX,r)u
} T6{IuQjXs
} ; N<?RN;M
@O4m-Oosi
这样的话assignment也必须相应改动:
4$.4,4+
q~a6ES_lA
template < typename Left, typename Right > y\ouIsI77
class assignment m!v`nw ]
{ ^gNAGQYA
Left l; lS}5bcjR=k
Right r; @1rF9<
4g
public : QHA<7Wg
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} rU(N@i%
template < typename T2 > lQ@2s[
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } c~p4M64
} ; #K
]k
"bRck88V
同时,holder的operator=也需要改动: 8sE@?,
uGgR@+7?Z
template < typename T > 4,FuQ}
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const V5M_N;h
{ y_\vXY'
return assignment < holder, T > ( * this , t); y%iN9 -t
} fU$zG"a_
xpUaFb
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。 -<qci3Ba}
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 M]eH
JZ~v
1)M3*h3
return l(rhs) = r; skr^m%W
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。 670g|&v.
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Pgb<;c:4
1P&c:n
template < typename Tp > R$NH [Tz
class constant_t WCU[]A
{ Wrt3p-N"D
const Tp t; YpXUYNy
public : 4km=KOx[
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} c7S<ex,
template < typename T > f |aO9w
const Tp & operator ()( const T & r) const / [:@j+n\
{ 7@MVInV9
return t; oO!@s`
} YP+0uZ[g
} ; vlx
wt~
O Y /QA
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ss
|<\DE+
下面就可以修改holder的operator=了 omY%sQ{)
7*uG9iX
template < typename T > )}vQ?n[:'
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const n
omtP }
{ %0. o(U
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Lab{?!E>U
} ~%(r47n
OP%h`
同时也要修改assignment的operator()
;OE{&
NC|&7qQ
template < typename T2 > |$^,e%bE
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 1u'x|Un
现在代码看起来就很一致了。 d{I|4h
?}lgwKBHl;
六. 问题2:链式操作 @4_W}1W
现在让我们来看看如何处理链式操作。 @UE0.R<
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。 n SmYa7
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。 tk2B\}6
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。 H+\rCefba
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct d8/lEmv[
^`Vt<DMT
template < typename T > ~1i,R1_\Y
struct result_1 9kWyO:a_(
{ f!eC|:D
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; pNCk~OM
} ; !JJCG
ey@y?X=
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: 2j*\n|"}{
tihb38gE
template < typename T > X Oc0j9Oa
struct ref *!Vic#D%
{ q$0^U{j/
typedef T & reference; V! a|rTU6
} ; F;}?O==H;
template < typename T > `{<2{}2M
struct ref < T &> Y)?4OB=n
{ 0q>f x
typedef T & reference; ;Hv#SRSz
} ; /<Zy-+3
?7YX@x
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: !634 8nU:
rmk'{"
template < typename T > R1\cAP^0
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Y:ZI9JK?
{ X_!Sm
return l(t) = r(t); ;xXHSxa:=W
} b8feo'4Z
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。 #AFr@n
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 0+m"eGwTm
(<=qW_iW
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 :~{XL >:S
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 7a->"W
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 fZ 17
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 e}-uU7O
最后的布局是: Wi'BX#xCB
Add RHz'Dz>0
/ \ ?so3Kj6H
Divide 5 gh['T,
/ \
QSmE:Y
_1 3 *B#<5<T
似乎一切都解决了?不。 5MO:hE5sm
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。 Qf$0^$ "
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。 Yono8M;9*
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: ~BaU2S@y
<~u.:x@ R
template < typename Right > b=Zg1SqV
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 4qrPAt
Right & rt) const @L,T/m-HF
{ d]}
7]
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); f)vD2_E
} /1gKc}rB2
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 GKZn|<Y|{c
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。 YEF%l'm(\
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。 e*jn7aya
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。 6jO*rseC
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。 d&n0:xOc
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? +[zrU`!@
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: #Z"N\49
@R9
template < class Action > tI{pu}/"#
class picker : public Action #z6RzZu
{ nv2Y6e}dG
public : mO?G[?*\
picker( const Action & act) : Action(act) {} wGBQ.Ve[
// all the operator overloaded '.#KkvE##
} ; ?MPM@9
}^pnwo9vV
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。 /#G^?2oM
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: O (tcu@vfl
q(\$-Dk.Vv
template < typename Right > k&n7_[]n
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const [f:>tRdH
{ FJ!N)`[
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); a'
.o
} 5lxC**NA
<(>v|5K0]
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > i6h:%n]Io
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。 3r%I *
/ d0LD
template < typename T > struct picker_maker ahhVl=9/ao
{ ygd'Nh!@
typedef picker < constant_t < T > > result; #D
.H2'_}
} ; <T+Pw7X
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > $lU~3I)
{ Njc3X@4=
typedef picker < T > result; YM1tP'4j@
} ; aCM F[
3j
=3a`NO5!
下面总的结构就有了: 4_F<jx,G
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。 Ipb4{A&"\
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。 U:J~Oy_Z
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 hh |'Uq3
至此链式操作完美实现。 `Rm2G
[A
yq%MA
VS%8f.7ep
七. 问题3 h7~&rWb
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。 l9qq;hhGP,
dGQy=T:
template < typename T1, typename T2 > VrQw;-rQ
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Wa2V Z
{ $kZ,uvKN
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); wAVO%8u
} :kOLiko!4>
oMkB!s
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ?Xlmt$Jp
rw
^^12)
template < typename T1, typename T2 > ''?.6r
struct result_2 ~N>[7I"*
{ 3-hu'xSU
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; G"O%u|7
} ; $QNfy.6Tn
.^,fw=T|1
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 8ftLYMX@
这个差事就留给了holder自己。 SXwgn >
fx99@%Ii
S]K^wj[
template < int Order > 2^[fUzL?
class holder; dn:g_!]p
template <> @ns2$(wkm@
class holder < 1 > IW$&V``v
{ 8p-5.GU)<e
public : R+]Fh4t
template < typename T > P-7!\[];te
struct result_1 fR_)e:
{ 0 m";=:(w
typedef T & result; j<"0ym)A
} ;
template < typename T1, typename T2 > b?B"u^b!
struct result_2 L)y }
{ ~Xh(JK]
typedef T1 & result; HTQ.kV
} ; p%xo@v(
template < typename T > |>j=#2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 4{}u PbS
{ I@pnZ-5
return (T & )r; c?V,a`6
} 44kY[jhf
template < typename T1, typename T2 > A;SRm<,
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const j MW|B
{ 87YT;Z;U&
return (T1 & )r1; ?rk3oa-
} unSF;S<
} ; Q\m"n^XN
5NJ@mm{0
template <> >J.a,!
class holder < 2 > y;;^o6Gnw
{ N]KqSpPh
public : Q]{DhDz?+
template < typename T > 7yeZ+lD
struct result_1 iMk`t:!;#"
{ k8Qv>z
typedef T & result; S8.nM}x
} ; qW?^_
template < typename T1, typename T2 > yw#P<8{/[
struct result_2 "y_$!KY%
{ Wj8\~B=('
typedef T2 & result; ]r'b(R; S
} ; 68;,hS*|6
template < typename T > ?# ,\,
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \<i#Jn+)
{ VF<{Qx*
return (T & )r; B,e@v2jO|
} j(va#f#
template < typename T1, typename T2 > ;6fkG/T
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const SY>N-fW\H:
{ `S;pn+5
return (T2 & )r2; nUd(@@%m
} l*B;/
>nR
} ; 'G@Npp)&^
h,TDNR<1L
r/:9j(yxr
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> >。 :d)@|SR1
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: %+o]1R
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Kqhj=B
gAv?\9=a)W
return l(i, j) = r(i, j); C\$7C5/
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) IB(IiF5
AGLzA+6M
return ( int & )i; NawnC!~ $
return ( int & )j; ^R>&^"oI
最后执行i = j; %#/7Tl:
可见,参数被正确的选择了。 nzhQ\'TC
rf1-E5 7#
YHvmo@
!6f#OAP\
sAnStS=>
八. 中期总结 B:^5W{
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: {BJ[h
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 dRWp/3 }
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 $sGX%u
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ?y]3kU
*!C^L"i
Vi5RkUY]
8$?a?7,>|
n?kU
${6 ;]ye
九. 简化 VdVca1Z
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。 pOnZ7(
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 >jN)9}3>-#
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: Vwm\a]s
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 dXrv
+-*/&|^等 .!nFy`
2. 返回引用。 (Pvch!
=,各种复合赋值等 %8S!l;\H5
3. 返回固定类型。 n+Fl|4
各种逻辑/比较操作符(返回bool) !Aj_r^[X`
4. 原样返回。 VNXB7#ry
operator, ~[k2(
5. 返回解引用的类型。 |{t}ULc
operator*(单目) @B+
6. 返回地址。 }KS[(Q
operator&(单目) 0DS<(
7. 下表访问返回类型。 UL"JwqD
operator[] Rqvm%sAi
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 +c\fDVv
operator<<和operator>> K<