一. 什么是Lambda jA4v?(AO}#
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 >5O y^u6Ly
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, h<ct W>6v
l0\>zWLZZ9
I%>]!X
?{,)XFck
class filler *9Js:z7I
{ #4 &N0IG
public : 1r&
?J.z25
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |/=p
} ; n UCk0:{
YCBML!L
L_ qv<iM$
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: RK:sQWG
/{MH'
efkie}
e=;@L3f
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); UN?T}p-
oF
h;UdwmT
Pq\V($gN
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Rn(F#tI
I+?$4SC
2mU-LQ1WN
;
9&.QR(
二. 战前分析 T.PZ}4
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Y_3YO2K]
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 k;AiG8jb
V'f5-E0
FJ,\?ooGf
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); *5'6E'
/* --------------------------------------------- */ Q0uO49sg
vector < int *> vp( 10 ); pD_eo6xX
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); |DPpp/
/* --------------------------------------------- */ 5`'au61/2
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); T{{AZV"pB
/* --------------------------------------------- */ `)!2E6 =
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); +6)kX4
/* --------------------------------------------- */ 9
roth
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); j X!ftm2
/* --------------------------------------------- */ UFAMbI
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); hPi
:31-0
P}WhE
X`v79`g_
FlA\Ad;v
看了之后,我们可以思考一些问题: MN M>
1._1, _2是什么? b,
**$
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。 i2}=/
2._1 = 1是在做什么? 5A]LNA4i
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。 `MYK XBM
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。 Ta\8>\6
HD8"=7zJk
grfdvN
三. 动工 VDu
.L8
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: aU]O$Pg{
Z=Y_;dS9
q,,>:]f#
\%?8jQ'tX
template < typename T > GE8D3V;*V
class assignment vb. Y8[
{ a(43]d&
T value; i_'R"ob{S
public : "tz0ko,(
assignment( const T & v) : value(v) {} k1Mxsd
template < typename T2 > Gg pQ]rw
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } #b"5L2D`y'
} ; sHPwW5j/o'
0jJ28.kOp
(zw=qbS&
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 "G-0i KW;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment -2jBs-z
)4F/T, {;m
]T3BDgu%&
Vq)gpR
class holder X6N]gD
{ d,J<SG&L&
public : kq}eUY]
template < typename T > fF9oYOh|
assignment < T > operator = ( const T & t) const E%2!C/+B
{ >]XaUQ-
return assignment < T > (t); ND55`KT4
} o
+QzQ+ Z
} ; :
`6$/DK
id#k!*$7
pJ$N@ID
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: WP@JrnxO\`
<;,S"e
static holder _1; Th;gps%b
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 J.e8UQ@=5
D@rn@N
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); qvfAG 0p
而不用手动写一个函数对象。 ekl?K~
({H+ y
9n
o~.o^0Y
$YGIN7_Gg
四. 问题分析 gcW{]0%L^
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 .t^UK#@#4
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 L4/TI(MP
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ;/)Mcx] n
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 :U-US|)(2
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ^;CR0.4
RqN_vk\
五. 问题1:一致性
u5{5ts+:
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| {sfmWVp
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 il>x!)?o
nzE,F\k
struct holder
uRB)g
{ spSN6.j
// (9YYv+GGd*
template < typename T > |<$<L`xoe
T & operator ()( const T & r) const O2'bNR
{ k}f<'g<H
return (T & )r; VNxpOoV=S
} A"bSNHCKF
} ; B=Zukg1G
hV>4D&<
这样的话assignment也必须相应改动: @cS1w'=
k qY3r &
template < typename Left, typename Right > XEUa
class assignment u.pKK
{ AK~`pq[.
Left l; ~*PK080N}
Right r; K5)yM @cq
public : .cH{WZ
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} WK_y1(v>
template < typename T2 > GEe 0@q#YA
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } m_E[bDON
} ; ?LV-W
_/N'I7g
同时,holder的operator=也需要改动: LpiHoavv
7$1fy0f[l
template < typename T > #E$Z[G]
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const a$xeiy9
{ iKF$J3a\2f
return assignment < holder, T > ( * this , t); dY4k9p8
} iBtjd`V*
+C'TW^
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。 >TlW]st
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 bQ^DX `o6P
!0!U01SWa
return l(rhs) = r;
/.| A
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。 V&mH#k
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: cz7CrK~5
m<FWv2)^
template < typename Tp > y;{^Ln4{
class constant_t c9*1$~(v0I
{ x:A-p..e
const Tp t; ?2?S[\@`0U
public : !sfXq"F
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} eC+"mhB
template < typename T > jsNH`"
const Tp & operator ()( const T & r) const *%OYAsc
{ Hyq@O8
return t; 't0+:o">:
} v.l7Q
} ; Xx3g3P
w'oo-.k
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 B.}_],
下面就可以修改holder的operator=了 bVa+kYE
*]}CSZ[>
template < typename T > t
g
KG&
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !cEbzb
{ L(WL,xnBy
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); W.#}qK"
q
} Ge^zX$.'
0kNe?Xi
同时也要修改assignment的operator() =9qGEkd3
(kWSK:l
template < typename T2 > QQg8+{>
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } *PSvHXNi
现在代码看起来就很一致了。 :mXGIRi
:jt;EzCLg%
六. 问题2:链式操作 vU_d=T%$
现在让我们来看看如何处理链式操作。 |
((1V^
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。 T~i%j@Q.6
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。 w24{_ N
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。 X(Y#9N"
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct aN^]bs?R
3I9T|wQ-]
template < typename T > ?a'6EAErC
struct result_1 oUJj5iu}
{ }}^,7npU
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ^[{`q9A#d
} ;
G"o!}
{fGd:2dh
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: \H Wcd|
jOUK]>ox:
template < typename T > DA<F{n.Z:
struct ref YSR mt/
{ CQ6'b,L&
typedef T & reference; .]W;2G
} ; q"gqO%Wb|
template < typename T > qP~WEcH`[
struct ref < T &> ,?l~rc
{ G'ij?^?
typedef T & reference; R)0N0gH
} ; NFk}3w:
)E'Fke
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 403[oOj
YBb)/ZghY
template < typename T > 0HGl f
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const [8>z#*B
{ &49u5&TiP
return l(t) = r(t); LHs-&
} V]79vC
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。 aWyUu/g<A`
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 $4Z+F#mx
di~]HUZh)
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 j|:dYt`WM
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: /b{o3, #.M
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 WtEI] WO
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 !ZFr7Xz
最后的布局是: :.*HQt9N
Add \7pipde
/ \ !Y (apVQ
Divide 5 t#C,VwMe[
/ \ >\V6+$cNp
_1 3 ]UDd :2yt
似乎一切都解决了?不。 zVSx$6eiU
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 f}^I=pS&
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 \+-zRR0
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: +' %@!
5L8&/EN9-
template < typename Right > ^:`oP"%-T
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const sLb8*fak
Right & rt) const cA D[3b[Gk
{ g>so
R&*
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9YB2e84j
} !; IJ
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 9A~>`.y
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 QV7,G9
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 geksjVwPH
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ^YGTh0$W
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。 Yc^%zxub
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? ?hnx/z+uT
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: !O|ql6^;
3gAR4
template < class Action > 5iVQc -m&
class picker : public Action $9K(F~/
{ L>dkrr)e
public : ~W<CE_/]k
picker( const Action & act) : Action(act) {} H@GE)I>^@
// all the operator overloaded NUCiY\td
} ; )l&D]3$6K
#%:c0=
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 t8QRi!\=
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: F|>05>8
|( G2K'Ab
template < typename Right > B
MM--y@
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const T-'~? [v
{ ow$q7uf
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ^i+[m
} ]jyM@
@Br
{!#Wf
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > En(7(qP6}
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。 B{C_hy-fw
^T:gb]i'Qa
template < typename T > struct picker_maker O gmSQ
{ DECB*9O^
typedef picker < constant_t < T > > result; xACdZB(
} ; 8$0\J _
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > wJe?t$ac?
{ %%%S"$t
typedef picker < T > result; UUeB;'E+
} ; /@hJpz|+
Q$~n/
下面总的结构就有了: [:iv4>ZZ
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。 aBhV3Fd[B
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。 !SO8O
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 b O=yi)
至此链式操作完美实现。 v!9i"@<!
D8%AV;-Y
@Y}uZ'jt'
七. 问题3 7{e=="#*
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。 @5.e@]>ZM
MPIlSMe
template < typename T1, typename T2 > X8i(~
B
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 5+- I5HX|~
{ YuQ~AE'i
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Pao%pA.<
} KVkMU?6
wG1l+^p
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: Ts9ktPlm
z
x@$RS+]
template < typename T1, typename T2 > DIaYo4
struct result_2 ~>Kq<]3~
{ nPN?kO=]
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; JN4fPGbV
} ; Ya#h'+}
paW@\1Q
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? :=Kx/E:1
这个差事就留给了holder自己。 O/Rhf[7v*
KL [ek
kkS~4?-*
template < int Order > @%hCAm
class holder; .&1C:>
template <> QJn`WSw$_-
class holder < 1 > C3XmK}h
{ ffe1lw%
public : fY,|o3#
template < typename T > :K':P5i
struct result_1 =8Ehrlq
{ }tG3tz0%fX
typedef T & result;
fvEAIs
} ; nwA8ALhE
template < typename T1, typename T2 > @F~LW6K
struct result_2 ^e Gue
{ ?+0GfIV
typedef T1 & result; At6qtoPRA
} ; 1[;;sSp
template < typename T > qQ0C ?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const uuNR?1fS
{ kW@,$_cK
return (T & )r; w%y\dIeI'
} 8X$LC
template < typename T1, typename T2 > k|YWOy@D~
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const yClx` S(
{ 9Q;c,]
return (T1 & )r1; .]x2K-Sf
}
d$W
} ; -%CoWcGP
(:pq77
template <> @+LfQY
class holder < 2 > EH*o"N`!r
{ UPiW73Nu
public : ,=QM#l]
template < typename T > b'YE9E
struct result_1 8RW&r
{ 1ocJ+
typedef T & result; zYY$D.
} ; *sw7niw
template < typename T1, typename T2 > O#a6+W"U
struct result_2 (X[CsaXt
{ N K]B?
typedef T2 & result; V 9wI\0
} ; m#vL*]c}
template < typename T > \x{;U#B[3>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const l_rn++
{ Z8#Gwyinx
return (T & )r; S8d8%R~1=h
} 5kypMHJm
template < typename T1, typename T2 > "=. t
36#
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 20RXK1So
{ V'Kgdj
return (T2 & )r2; A3N]8?D
} P>ceeoYQuA
} ; H*^\h?s
>EsziRm
MPgS!V1
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> >。 Ycr3HLJy
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: {c?JuV4q?
首先 assignment::operator(int, int)被调用: lbdTQ6R
I` K$E/ns
return l(i, j) = r(i, j); O,2~"~kF
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) i':i_kU
gi/@j
return ( int & )i; B+d<F[|
return ( int & )j; F>je4S;
最后执行i = j;
|{r$jZeE
可见,参数被正确的选择了。 j%u-dr
51C2u)HE
`:m!~
'_\;jFAM
6qWdd&1
八. 中期总结 \c v?^AI
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: {`=0 |oP}
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 K,'*Dz
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 |BT MJ:B
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor vbx6I>\Y
IQ<MyB(
F~:O.$f]G
?3ig)J,e[
w]b,7QuNz
0Sq][W=
九. 简化 '>$EOg"
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。 X,aYK;q%z
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 \0l>q ,
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: PNF?;*`-{7
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 SzwQOs*
+-*/&|^等 W7"{r)7
2. 返回引用。 Zv11uH-C
=,各种复合赋值等 `\`> 0hlu
3. 返回固定类型。 *L6PLe
各种逻辑/比较操作符(返回bool) PWRy7d
4. 原样返回。 ;8WZx
operator, T{qTj6I
5. 返回解引用的类型。 H1GRMDNXOA
operator*(单目) Jj~EiA
6. 返回地址。 T9)nQ[
operator&(单目) &cWjEx
7. 下表访问返回类型。 NjPDX>R\K
operator[] 8dD2
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 <!-sZ_qq
operator<<和operator>> W?yd#j
b*a2,MiM
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。 LE5.b]tv2
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ~R$~&x