一. 什么是Lambda vnf2Z,f%
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ,d!@5d&Zi
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, Ymnh%wS
Qru&lAYc<
3XUVUd~
Xsn M}
class filler ]ZR`
6|"VO
{ c#u_%*
public : B(FM~TVZ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} _lT'nFe=Q
} ; X%99@ qv
"IpbR
d/+s-g p
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: 2_bEo
JSq3)o9?/
LO%e1y
FwKY;^`!d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); S,|ZCl>+
J7dHD(R8
]p4?nT@]
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 S+Ia2O)BA
^v5]Aq~X
Pdh`Gu1:3
$B9?>a|{A
二. 战前分析 WAuT`^"u
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|'$3dB*
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 ,QA=)~;D
KDf#e3
9 M?UPE
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 5D-as9k*
/* --------------------------------------------- */ *Vb#@O!
vector < int *> vp( 10 ); 2ZbSdaM=
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :%28*fl
/* --------------------------------------------- */ jL)Y'
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); lpB:lRM
/* --------------------------------------------- */ GaJE(N
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); VqD_FS;E
/* --------------------------------------------- */ ]4')H;'y
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); RV]QVA*i
/* --------------------------------------------- */ U![$7k>,pr
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Dbx zqd
h1B_*L
xe.f]a
1NTx?JJfW
看了之后,我们可以思考一些问题: rHybP6C<
1._1, _2是什么? 03 iy[~Y2
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。 PktnjdFV
2._1 = 1是在做什么? p.MLKp-'
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。 V3|"
v4
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。 5&A' +]
yI!W658$6
xIb{*)BUwc
三. 动工 xVI"sBUu
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: .;U?%t_7
cJSwA&
.R4,fCN
+wHa)A0MW
template < typename T > bF;|0X$
x
class assignment 4v(?]]X
{ 'm<L}d
T value; VD!PF'
public : xudZ7
assignment( const T & v) : value(v) {} X=Y(,ZR(&
template < typename T2 > o8A8fHl
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } :: GW
} ; -IDhK}C&T
B'O1dRj&6
0>;[EFL
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 7)> L#(N
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ?!c7Zx,(
MCXt,`}[
$QT% -9&
2>J;P C[;
class holder )\W}&9 >
{ gtY7N>e
public : 4Pf"R~&[
template < typename T > /7a3*a
assignment < T > operator = ( const T & t) const p2O [r
{ 1b7?6CqV
return assignment < T > (t); P= E10
} RN&8dsreZp
} ; z>=;Xe8P8n
Q2m 5&yy@s
.G<Or`K^i
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: l;h -`( 11
<P*7u\9&
static holder _1; tqt~F2u
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Xp6Z<Z&N
=8]Ru(#Ig
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ne[H `7c
而不用手动写一个函数对象。 }\A0g}
)1YGWr;ykS
p lzwk>b_
a@? Bv
四. 问题分析 4VA]S
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ?H{?jJj$H
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。 ds2xl7jg
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 :efDPNm5
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 e9CvdR
下面我们可以对这几个问题进行分析。 qr*e9Uk^
HuxvIg
五. 问题1:一致性 ,[_)BM
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?| G 8tK"LC
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 !_dW
`
,z((?h,nm
struct holder e)L!4Y44K
{ q #8z%/~k
// zR=g<e1xe
template < typename T > bDegIW/'w
T & operator ()( const T & r) const
~ihi!u%~}
{ S!iDPl~
return (T & )r; #
?u
bvSdU
} rd X;
} ; o
7V&HJ[
5["n] i
这样的话assignment也必须相应改动: Z]OX6G
0h('@Hb.K#
template < typename Left, typename Right > 4i29nq^n
class assignment y7z ,I
{ LG?b]'#
Left l; %7Gq#rq
Right r; n*~#]%4
public : v=IcVHuf
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} '?$<k@mJW
template < typename T2 > I
wu^@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } |g\CS4$
} ; |c2;`T#`o
Ml_!)b
同时,holder的operator=也需要改动: "x3!F&
Wl,I %<&j}
template < typename T > g(F2IpUm/
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 1-G-p:|
{ "?Jf#
return assignment < holder, T > ( * this , t); D]V&1n
} #hEU)G'$+
$BOIa
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 25;`yB$
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 X(>aW*q
/\pUA!G)BD
return l(rhs) = r; >k2^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。 7z8
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: hSk
od3b,Q
template < typename Tp > z+?48}
class constant_t i_$?sg#=yk
{ 2bpFQ8q
const Tp t; uVw|jj
public : S.owVMQ
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} "W"r0"4
template < typename T > *MN("<A_
const Tp & operator ()( const T & r) const tqU8>d0^
{ d^|r#"o[
return t; L%.=SbmS
} OJLyqncw
} ; A+hT2Ew@t}
ksqb& ux6
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 fp"GdkO#}i
下面就可以修改holder的operator=了 vXR27
`u8=~]rblj
template < typename T > x=1Sbs w{
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const pzDz@lAwR
{ Z
Mf,3
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); O$Dj_R#
} T%2%*oa
2\[
Q{T=Qe
同时也要修改assignment的operator() e" p5hpl
y)`q% J&
template < typename T2 > \@j3/!=,n%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } &$pA,Gjin\
现在代码看起来就很一致了。 ~rbJtz
}An;)!>(nF
六. 问题2:链式操作 .1""U
']
现在让我们来看看如何处理链式操作。 p/jAr+XM
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 9Cw !<
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 v/G^yZa
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ?? Dv\yLZI
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct *18J$
8j@ADfZ9
template < typename T > GF*E+/
;
struct result_1 AyMbwCR"X
{ 7+J<N@.d
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; zXeBUbVi
} ; MAG/7T5
C2K<CDVw
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: {
*Wc`ZBY
qo}u(pOj|
template < typename T > l,E4h-$
struct ref S2
YxA
{ ' ]vMOGG
typedef T & reference; d|$-l:(J
} ; +PHuQ
template < typename T > _dn*H-5hO
struct ref < T &> boIFN;Aq"
{ q%Lw#f
typedef T & reference; M_F4I$V4
} ; DOWZhD
T;B/Wm!x
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :J6FI6
}+
TA+;
template < typename T > uulzJbV,K
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const O>arCr=H
{ fH;lh-
return l(t) = r(t); Oat
#%
} D?9EO=
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。 @|Hx>|p
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 8BM[c;-{g`
.+ CMm5T
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 >tV:QP]Y
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 78u=J z6
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 *(Us:*$W.
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 U,^jN|v
最后的布局是: 'J#uD|9)
Add |>=\
VX17
/ \ _zFJ]7Ym.)
Divide 5 OMN|ea.O
/ \ ~bX ) %jC
_1 3 ;?!pcv Ui
似乎一切都解决了?不。 vjXCArS
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 8'mm<BV;sT
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。
;5}y7#4C
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: R~XNF/QMl
I$Fr8R$
template < typename Right > K|{&SU_m
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const q|R$A8)L.
Right & rt) const 4S,/Z{ J.
{ D$bJ s O
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); <e' l"3+9(
} vTYgWR,h
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 }{
"RgT-qG
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。 29h_oNO
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。 fuA8jx
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。 gd\b]L?>O
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。 m_>~e}2'A
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? T
^z Mm
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: O6r.q&U
? 1b*9G%i
template < class Action > 8]0?mV8iOE
class picker : public Action eqWb>$
{ |:d:uj/
public : mi{ r7.e5I
picker( const Action & act) : Action(act) {} JWs?az
// all the operator overloaded W|[k]A` 2
} ; G X>T~i\f8
3`Q>s;DjIU
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。 ),+u>Os&
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: I'16-
H.:
[#
a
template < typename Right > m3iB`
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const >CPoeIHK
{ Pr^p
^s
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 3+#
"4O
} lIL{*q(
,V:RE y
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Ry iS
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。 dq$CCOC^F
'QEQyJ0EB
template < typename T > struct picker_maker 7_ah1IEK
{ KdTna6nY
typedef picker < constant_t < T > > result; r$.v"Wh)
} ; q5(Z
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > )v?-[
oR
{ TANt*r7
typedef picker < T > result; X~Vr}
} ; $8,/[V
A
-)ag9{ *
下面总的结构就有了: H>2f M^
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。 7Ke#sW.HN
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。 " ^:$7~%bA
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 |MXv
w6P
至此链式操作完美实现。 4 jeUYkJUM
Pxm~2PAm
i#y3QCNqf^
七. 问题3 6J%+pt[tu
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 j{a3AEmps
iVGc\6+'
template < typename T1, typename T2 > *Ad7GG1/u
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const yS:1F
PA$_
{ -a$7b;gF
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); XZ8;Ow=
} ec` $2u
tpi>$:e
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: spt='!)4
(">gLr
template < typename T1, typename T2 > "ZyWU f
struct result_2 ~.w Db,*
{ Y4|g^>{<ni
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; qP0_#l&
} ; j?n:"@!G/
+~A<&7[}
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? #%i-{t+_>
这个差事就留给了holder自己。 i\?P>:)
p;rGaLo:u
{1ic*cZS
template < int Order > nu#_,x<LS
class holder; p@7[w@B\c
template <> UPkD^D,
class holder < 1 > D;0xROW8{
{ :{v:sK
public : rpT{0>5
template < typename T >
h8!;RN[
struct result_1 KGm"-W
{ W<D(M.61A
typedef T & result; W}5 H'D
} ; _(8HK
template < typename T1, typename T2 > h7S&tW GU
struct result_2 wB;'+d&
{ zz4A,XrD
typedef T1 & result; @pD']=d}t
} ; Bu$GC SrX
template < typename T > :K6(`J3Y"^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const o=
%Fh
{ 9GZKT{*
return (T & )r; [af<FQ {
} emV@kN.
template < typename T1, typename T2 > 9)qjW &`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const I!;# Nk>
{ ^vJ PeoW
return (T1 & )r1; [T.BK:
} .baS
mfc
} ; i%~4 >k
:>[;XT<
template <> 5)yQrS !{:
class holder < 2 > sQS2U6
{ ~4mgYzOmD`
public : EO;f`s)t
template < typename T > fxQN
struct result_1 ?7cF_Zvve
{ M9@#W"
typedef T & result; M#qZ0JT4
} ; *S.2p*Vd
template < typename T1, typename T2 > P~0d'Oi
struct result_2 6#k
Ap+g7
{ 4565U
typedef T2 & result; Cse@>27s
} ; %XqLyeOS
template < typename T > s.rS06x
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const I$neE"wW
{ oWpy^=D_
return (T & )r; 9zkR)C
} eD, 7gC-
template < typename T1, typename T2 > F~ n}Ep~1
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const By@<N [I@
{ :!1B6Mc
return (T2 & )r2; 1Ly?XNS
} )G6]r$M>o0
} ; qfY.X&]PU
[JGa3e
'C~NQ{1TV
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 (0qdU;
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: i)0*J?l=
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 'PlKCn`(w
IjDG
return l(i, j) = r(i, j); ~`{HWmah
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) mLO{~ruu
IrXC/?^h
return ( int & )i; n\ma5"n0=\
return ( int & )j; F,e_ `
最后执行i = j; O;:8mm%(
可见,参数被正确的选择了。 %f@VOSs
C/[2?[
OZ_'&CZ
~R) Km`t
S&V5zB""n
八. 中期总结 }d)>pH
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: f$k#\=2%
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 )4a&OlEI
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 CPGXwM=
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor e@L'H)w,
h2KXW}y"4
6kjBd3
|J`YFv
u:N/aaU=
^G#=>&,
九. 简化 A{;b^IK
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。 3u7E?*{sH
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ?S0VtHQ
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: ;2}0Hr'|
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 6[c
LbT0
+-*/&|^等 $+ZO{
(
2. 返回引用。 tGD$cBE
=,各种复合赋值等 ;'pEzz?k"
3. 返回固定类型。 ~?6V-m{>#
各种逻辑/比较操作符(返回bool) tZ=BK:39\
4. 原样返回。 C>@~W(IE
operator, RN3w{^Ll
5. 返回解引用的类型。 .d9VV&
operator*(单目) U;6~]0^K
6. 返回地址。 tGd9Cs9D<
operator&(单目) T_, LK7D
7. 下表访问返回类型。 7s5?^^
operator[] "F|OJ@M
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 -NZj : N
operator<<和operator>> :M ix*NCf
r[M]2h
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。 '8k\a{t_z
例如针对第一条,我们实现一个policy类: (1(3:)@S6
Os8]iNvW\
template < typename Left > \J-O b
struct value_return r#]gAG4t\
{ uHQJ&
template < typename T > 42Vy#t/HC
struct result_1 *s?&)][
{ &6MGPh7T
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; N"T~U\R
} ; _:M6~XHo
pLBp[GQ
template < typename T1, typename T2 > J*,Ed51&7
struct result_2 c1CP12
{ j>?H^fB
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; _QBd3B%
} ; 8+
B. x
} ; bg_Zf7{
UY{
Uo@k9x
uiE9#G
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 1w+&Y;d|
5]p>&|Ud
下面我们来剥离functor中的operator() L|6c lGp
首先operator里面的代码全是下面的形式: JeUFCWm
aiw~4ix
return l(t) op r(t) F^T7u?^)
return l(t1, t2) op r(t1, t2) J`} /+WN 7
return op l(t) 68)z`JI|<)
return op l(t1, t2) KzeA+PI
return l(t) op (LRv c!`"
return l(t1, t2) op jfqWcX.X=
return l(t)[r(t)] XT~JP
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] *
2T&