一. 什么是Lambda qz"}g/;?
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 E~DQ-z
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, S.mG?zbw
j@AIK+0Qc
6]&OrS[
>
$O]Eu!
class filler 3$jT*OyG#
{ EGGWrl}1
public : \S"is z
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} XD!W: uvb
} ; 034iK[ib"
KWq+PeB5TS
~Zun&b)S
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: 8^kGS-+^
S50k>_a;
B |5]Jm]
_F4Ii-6
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); R6 y#S&]x
ZFiee|,q
fZ6MSAh
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 f- K+]aZ)
.Hescg/S
\q>bs|2
/{EP*,/*
二. 战前分析 NyaQI<5D
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。 aEBu *`-j
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 UBv,=v
_no/F2>!/n
,[N%Q#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Ozw.siD
/* --------------------------------------------- */ T tfo^ksw
vector < int *> vp( 10 ); k)i3
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ~Sdb_EZ
/* --------------------------------------------- */ $6#CqWhI
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 9d>-MX'
/* --------------------------------------------- */ {IjF+@I
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); uY{|szC^2
/* --------------------------------------------- */ Ve8=b0&Y#j
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); O24m;oHM
/* --------------------------------------------- */ |sa]F5
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); kAKK bmE
e-~N"
2ElJbN#
w{{gu1#]G
看了之后,我们可以思考一些问题: a`wc\T^
1._1, _2是什么? gx-2v|pZ
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 W1WYej"
2._1 = 1是在做什么? b
k~(^!R
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 S\^Pha
q
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 #9=Vg
&]Q@7Nl7:l
seba9y
三. 动工 x" 7H5<
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: t Cw<Ip
bAdn &
#^#PPO
&C:IX\
template < typename T > _PPy44r2
class assignment ?K1/ <PE+
{ T!uM+6|Y
T value; \h+AXs<j
public : X
enE^e+9
assignment( const T & v) : value(v) {} O],T,Z?z
template < typename T2 > 1kz\IQ{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } C=-=_>Q,L<
} ; 2L!u1
'-wj9OU
5b5x!do
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 } j<)L,
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment P=qa::A
:{{F *FM;
rDl*d`He!
_ "E$v&_
class holder '|ad_M
{ e4-@f%5
public : U1Q:= yD
template < typename T > r+' qd)
assignment < T > operator = ( const T & t) const \1d( 9jR
{ oL-]3TY~
return assignment < T > (t); Q[Z8ok
} +\x,HsUc"
} ; Gw=B:kGk
3s5z
UT;
zofa-7'Bn
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: %) /s; Q,
LI'6R=
static holder _1; 5]~'_V
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 3^IpE];+:u
czA5n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ksc;X$f&4
而不用手动写一个函数对象。 PvzcEV
^/)^7\@
E{`kaWmC&~
#TeG-sFJg@
四. 问题分析 -^K"ZP1
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。 %}[i'rT>
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。 ?:pP8/y
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 $>G8_q
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 H
>j
下面我们可以对这几个问题进行分析。 au N6prGe
UG'Q]S#!
五. 问题1:一致性 .I$qCb|FP
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?| 5:\},n+VE
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 mGtdO/C#B
VQ"hUX8
struct holder s0\X ^
{ XQ#;Zs/l
// E8!e:l
=Q
template < typename T > t=rEt>n~L
T & operator ()( const T & r) const B%"
d~5Y
{ t!* ?dr
return (T & )r; O80<Z#%j`
} ^b/ Z)3
} ; pqk?|BvpK_
WgR).Yx
这样的话assignment也必须相应改动: gRrL[z
-5
RD)(d
template < typename Left, typename Right > 2I%MAb&1@
class assignment +?F[/?s5qz
{
S\LkL]qx
Left l; <
nXL
Right r; !\"EFVH
public : +vvv[
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} .Fs7z7?Y
template < typename T2 > m/Oh\KlIl
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ,C
K{F
} ; u_hD}V^x4
1cxrH+N
同时,holder的operator=也需要改动: rEv@YD
dUsYZdQs
template < typename T > wy yWyf
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const {`J)j6;
{ C+'/>=>a.
return assignment < holder, T > ( * this , t); a,xycX:U
} uPhK3nCGo
0M*Z'n
+
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。 B&\IGWG(
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 GU4'&#
4S5,w(6N
return l(rhs) = r; MTsM]o
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。 ZU85P0
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: %Qc La//
S)lkz'tdk
template < typename Tp > E7NV ^4h
class constant_t (gy#js#
{ 0F]>Jby
const Tp t; ?6yjy<D)$e
public : q'|rgT
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} u&`XB|~
template < typename T > GO8GJ;B-U
const Tp & operator ()( const T & r) const 0>C T=(A
{ P=7zs;k
return t; cimp/n"
} MJOz.=CbhR
} ; ^X0P'l&D2
}M1`di4e
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 [ad@*KFxy3
下面就可以修改holder的operator=了 *vflscgt
C3eR)Yh
template < typename T > hHN'w73z
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const m=?KZ?U`
{ 6`O.!|)
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); :ZTc7}
} DSC$i|
;-9=RI0
同时也要修改assignment的operator() +,2:g}5
'd.EC#
template < typename T2 > eb.O#Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } FB
_pw!z
现在代码看起来就很一致了。 87Oad@FOr
21
O'M
六. 问题2:链式操作 BbW^Wxd3
现在让我们来看看如何处理链式操作。 /s?r`' j[
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。 q;QbUO
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。 .Si,dc\
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。 >ZPsjQuf"
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct NPCs('cd>?
>SML"+>
template < typename T > ,a gc
struct result_1 KAC6Snu1
{ sArhZ[H
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; TT'[qfAI
} ; T,]7ICF#
T.@aep\"
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: d{XO/YQw
33#0J$j7
template < typename T > XM1WfjE\
struct ref ~;1l9^N|
{ v5By :z
typedef T & reference; 7[I}*3Q'
} ; L!rw[x
template < typename T > y=`2\L" O
struct ref < T &> vWRju*Z&
{ .z
6fv
typedef T & reference; MOsl_^c
} ; vg
D77
FO!]P
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Qk\A
c
6,d@p
template < typename T > ]<H&+ &!
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const E0u~i59Z
{ >;L6xt3
return l(t) = r(t); wS4.8iJ
} VG,u7A*Z#
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 &Rx{.9
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Fe]B&n
VCn{mp*h
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 : y5<go8e
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: HR
;)|j{!
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 c.,2GwW
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 I 4,K43|
最后的布局是: ;cPy1
Add c:-!'l$ !
/ \ }&n<uUD H
Divide 5 HvM)e.!
/ \ 4zJtOK?r"
_1 3 31rx-D8o
似乎一切都解决了?不。 r9 ui|>U"
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。 D+]a.& {p
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。 !eEHmRgg4
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: eU<]o<
\Qo
oXxCXO,q
template < typename Right > UVw~8o9s
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const O9EKRt
Right & rt) const EX?MA6U
{ >p.O0G
gg
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); wQwQXNG
} @1DX
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 r :F
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。 E}sO[wNPf
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。 Q\cjPc0y
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。 Md0sK
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。 0%m)@ukb
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? ve%
xxn:
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: vgUb{D
\>CYC|
template < class Action > )yTm.F
class picker : public Action xZ4~Oo@@_'
{ ~$p2#AqX
public : .G+Pe'4a
picker( const Action & act) : Action(act) {} ?Rj ~f{%g
// all the operator overloaded w:?oTuw
} ; /c2w/+ _
SQqD:{#g"
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。 D3)zk@N
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: \ gLHi~
Gi "941zVl
template < typename Right > q-c=nkN3
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const c05 %iv
{ 'UMXq~RMe
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); m< 3Ao^I+
} sO.`x*
!!Aj<*%
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > <
V\I~;
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。 OtGb<v<_H
'JNElXqrv
template < typename T > struct picker_maker /Wy.>YC|
{ b^p"|L
typedef picker < constant_t < T > > result; `;>= '"O!\
} ; IdXZoY
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > cOPB2\,
{ (y M^
typedef picker < T > result; `&-Mi[1
} ; 4"xPr[=iG
L3n_ 5|
下面总的结构就有了: {;.T7dL
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。 u-tQ9ioKC
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。 Ur5FC r
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 M?[h0{^K
至此链式操作完美实现。 m+#iR}*1L
Q4*fc^?u
r\blyWi
七. 问题3 JB>b`W9
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。 WdnIp!
bk)g;+@
template < typename T1, typename T2 > !>>f(t4
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const vmLxkjUm#
{ 'w14sr%
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); z8[yt282
}
zcva-ze:;
1?| flK
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: La@
+>
^qC;Nh4F
template < typename T1, typename T2 > VwEb7v,^0\
struct result_2 M4d47<'*~
{ <a[Yk 2
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; @fa@s-wb
} ; $DZHQH
3LfC{ER
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? on8WQf'A#
这个差事就留给了holder自己。 l/Vo-#
0d3+0EN{
!wWJ^Oz=
template < int Order > 1]}#)-
class holder; ki{3IEOr}
template <> YFTjPBV
class holder < 1 > >y}M.Mm
{ D)@YI.T
public : e{KByFl
template < typename T > LC})ciWa
struct result_1 Q//,4>JKf
{ _ib"b#
typedef T & result; &EM\CjKv"
} ; n=,\;3Y=
template < typename T1, typename T2 > Q0\0f
struct result_2 ncSFj.}w]
{ q|%(3,)ig
typedef T1 & result; cS. -7
} ; JMCW} bA
template < typename T > RID]pek
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1lsLJ4P
{ ^0#;YOk
return (T & )r; /1 RAAa
} 3b YCOqG
template < typename T1, typename T2 > !J=sk4T
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \@>b;4Fb+N
{ :iiw3#]
return (T1 & )r1; 0I{gJSK.,
} HK~xOAF
} ; $O{duJU
1.D-FPK
template <> 8_&CT
:u>
class holder < 2 > )XfzLF7
{ X]loJoM9
public : ms_ VM>l
template < typename T > Bk}><H
struct result_1 KI]wm
{ kF;5L)o
typedef T & result; !vn1v)6
} ; 9]'($:LF08
template < typename T1, typename T2 > &/A8-:m
struct result_2 S?{/hy
{ s!+"yK
typedef T2 & result; f(D_FTTO
} ; jEz+1Nl)
template < typename T > 3u>8\|8wz
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L&-hXGx=7
{ |xoF49
return (T & )r; FA90`VOWYU
} q4UA]+-*
template < typename T1, typename T2 > >O/D!j|
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const jxgj,h"}9`
{ $3X-rjQtW
return (T2 & )r2; ?8,%LIQ?
} ZAuWx@}
} ; a4gi,pz$]
nH !3(X*
QHBtWQgS
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> >。 U"f??y%)
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ~Cc.cce5
首先 assignment::operator(int, int)被调用: c~<1':
IgL_5A
return l(i, j) = r(i, j); QO{y/{
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) RQW6N??C
?y XAu0
return ( int & )i; gLE7Edcp6V
return ( int & )j;
he+#Q6
最后执行i = j; wyxGe<1
可见,参数被正确的选择了。 vQ@2FZzu>
~9Cz6yF
w'7R4
iF+RnWX\
EA<}[4#jS
八. 中期总结 }i!pL(8;
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: ^4v*W;Q
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ']ood!
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 IO.<q,pP!_
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor K,xW6DiH
Zs zs1{t
[LM^),J?
;%q39U}
>x:EJV
w8~K/>!f
九. 简化 J?:[$ C5
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。 s]B"qFA
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Q}2[hB
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: 0>6DSQq~t(
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 q W^vz
+-*/&|^等 8_\W/I!7b
2. 返回引用。 ":?T%v>
=,各种复合赋值等 M"^K0 .
3. 返回固定类型。 \Mx
JH[
各种逻辑/比较操作符(返回bool) WNa0,
4. 原样返回。 =
Rc"^oS
operator, eQX`,9:5
5. 返回解引用的类型。 >N`6;gn*l
operator*(单目) eTE2J~\
6. 返回地址。 msTB'0
operator&(单目) XbvDi+R2A
7. 下表访问返回类型。 @O3/3vi1
operator[] uf) Oy7FQ
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 f!GHEhQ9
operator<<和operator>> 4,eQW[;kk
zDBD .5R;
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。 U
:9=3A2$x
例如针对第一条,我们实现一个policy类: j^u[F"
1IA5.@G:
template < typename Left > )q?$p9
struct value_return 6!7Pm>ml
{ M StX*Zw
template < typename T > ^o<[.
)
struct result_1 =q
CF%~
{ R ZcH+?7
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; s^C;>
} ; xl!K;Y2<
u35q,u=I
template < typename T1, typename T2 > WVL#s?=g
struct result_2 EnCU4CU`
{ J1 tDO?
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 0^<,(]!
} ; @&R1wr1>I5
} ; %O) Z
1MQ/r*(
?eWJa
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait L{PH0Jf
a&5g!;.
下面我们来剥离functor中的operator() KRk~w]
首先operator里面的代码全是下面的形式: d(l|hmj4j9
V/H@vKN2
return l(t) op r(t) ep?:;98|t
return l(t1, t2) op r(t1, t2) E%*AXkJ'dZ
return op l(t) d^aNR
Lv
return op l(t1, t2) /?3:X*
return l(t) op Mvof%I
return l(t1, t2) op -Cj_B\
return l(t)[r(t)] 9s
$PrF
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] o>u!CL<
<d!6[,W;
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: 8t``NZ[
单目: return f(l(t), r(t)); _7 `E[&v
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); ,P{HE8.
双目: return f(l(t)); A+2oh3
return f(l(t1, t2)); N !IzB]
下面就是f的实现,以operator/为例 Tf l;7w.(A
/+P5)q
TKL
struct meta_divide q!2<=:f
{ cs5ix"1A
template < typename T1, typename T2 > E4m:1=Nd~]
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) *f*f&l