一. 什么是Lambda bxz6
>>
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 az:lG(ZGw
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, 2\}6b4
"^pF2JI
(B+zh
mnMY)-6C
class filler Q!Dr3x
{ d cht8nX7~
public : 4p u>f.
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} kZ_5R#xK
} ; $_Lcw"xO
d~d~Cd` V
ZONe}tv:
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: QEL3b4Vm
M\9p-%"L
oX]c$<w5
d 7QWK(d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); *O-si%@]
F[|aDj@q e
!Ys.KDL
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 v/Ei0}e6~
_1Iw"K49Qx
h "r)z6Q/
V@>s]]HMq#
二. 战前分析 qxwD4L`S
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。 ;fDs9=3#
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 G0h7MO%x
z+@Jx~<i
PAXdIh[]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); szb],)|18
/* --------------------------------------------- */ PT`gAUCw
vector < int *> vp( 10 ); 3>sA_
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :-.bXOB(
/* --------------------------------------------- */ =:=uV0jX\
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); O7RW*V:G@
/* --------------------------------------------- */ ~lLIq!!\
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ygp NMq#?X
/* --------------------------------------------- */ Yf(QU`w_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); S-6%mYf
/* --------------------------------------------- */ UYb:q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); |P]>[}mD
o;@T6-VH
Cc,,e`
O9W|&LAL
看了之后,我们可以思考一些问题: Ik4U+'z6
1._1, _2是什么? ;HeUD5Nt6F
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。 FCEFg)c5=
2._1 = 1是在做什么?
EWg\\90
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。 It@.U|
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。 !8O*)=RA
T/&4lJ^2l^
poYO
三. 动工 8?O6IDeW
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: %A dE5HI-
0"L_0 t:
bEE'50D
(TV ye4Z
template < typename T > n_51-^*z
class assignment QuJ)WaJkC
{ -P<e-V%<
T value; IOsitMOX:
public : /t083
assignment( const T & v) : value(v) {} s^b2H
!~
template < typename T2 > x%JtI'sg
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } RS~jHwIh
} ; gI
qYIt
8`*Wl;9u
_kb
$S
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 VMUK|pC4K
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment r-+ .Ax4L"
S&% GB
;_GS<[A3
*;wPAQE
class holder ;k<g#She
{ &oTUj'$
public : ! 3O#'CV
template < typename T > '@h5j6:2
assignment < T > operator = ( const T & t) const 0S0 ?\r
{ r(IQ)\GR
return assignment < T > (t); wPYz&&W
} i*' 6"
} ; t3.;W/0_
$UAmUQg)}_
W|o LS
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: C{<qc,!4
@54D<Lj
static holder _1; ON|Bpt2Qp
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 WhsTKy&E
NuKktQd
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 6u`E{$
而不用手动写一个函数对象。 B(x i
f:gXXigY,
4~8++b1/;
z^to"j
四. 问题分析 ({g7{tUy^H
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。 9pD=E>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。 p=vu<xXtD
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 q$Z.5EN
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 !SAjV)
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2B{~"<
Nh7+Vl
五. 问题1:一致性 %]Gm
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 7KOM,FWKe
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ]4 2bd
^fT|Wm<
struct holder 2?hc94
{ ;ZMm6o
// sf\p>gb
template < typename T > KiU/N$E
T & operator ()( const T & r) const 8y5iT?.~vy
{ u6{=Z :
return (T & )r; Gj[`r
} I;]Q}SUsm
} ; ~wmc5L/!?
~{7/v
这样的话assignment也必须相应改动: 1@*qz\ YY
8C1 ' g7A<
template < typename Left, typename Right > zWYm*c"n\
class assignment L P?E
{ &L[oQni];2
Left l; d?G~k[C!a
Right r; 9Ml^\|
public : ,2\?kPoc8
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} GMqeC
template < typename T2 > z DDvXz
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; }
<WN?
} ; x_&=IyU0j
7'g'qUW+~
同时,holder的operator=也需要改动: 56 k89o
xxWrSl`fB
template < typename T > 69#D,ME?
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Y0`@$d&n
{ GORu*[U8
return assignment < holder, T > ( * this , t); i;4|UeUl
} @Sb 86Ee
C{mL]ds<
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Id`?yt
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 y5;l?v94
~Pq(Ta
return l(rhs) = r; <xOv0B
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 \LX!n!@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: >05_#{up
K:Mm?28s
template < typename Tp > >iefEv\
class constant_t NHKIZx8sR
{ Sn 3@+9J
const Tp t; 9GdQ$^m
public : -:92<G\D
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} '\yp}r'u
template < typename T > '_)NI
const Tp & operator ()( const T & r) const f( (p\&y
{ H]v"_!(\
return t; #$trC)? ~q
} iwb]mJUA
} ; # 3{g6[Y
@o&.]FZs
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 -cW`qWbd
下面就可以修改holder的operator=了 4
qdLH^dX
2K/+6t}
template < typename T > BPAz.K Q
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const c-S_{~~
{ &%YFO'>>}
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ejY|o
Bj
} &mebpEHUG7
$.Fti-5
同时也要修改assignment的operator() Q8:`;W
u@!iByVAg
template < typename T2 > cZ$!_30N+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } "52nT
现在代码看起来就很一致了。 4fe$0mye
-OLXR c=
六. 问题2:链式操作 *ml&}9
现在让我们来看看如何处理链式操作。 K*&?+_v
:
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 **I9Nw!IH
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 f@roRn8p?
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ![H!Y W'
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ~'/I[y4t
dt NHj/\
template < typename T > "z+Z8l1.
struct result_1 C9oF*{
{ !A>VzW
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; *|c*/7]<
} ; %y
zFWDg
)3i}(h0
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ypxqW8Xe
phIEz3Fu/
template < typename T > 5[WhjTo
struct ref W68d"J%>_
{ G>hmVd
typedef T & reference; &dSw[C#f
} ; Gmcx#?|Tx
template < typename T > J90q\_dY.
struct ref < T &> K7&A^$`
{ W'{q
typedef T & reference; m,nV,}@J
} ; 9E{Bn#
5 Vm
|/
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: [c?']<f4
kP%Hg/f/Ot
template < typename T > `~( P
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Y[8w0ve-g
{ n3{m
"h3
return l(t) = r(t); t/cjz/]
} ?U0iHg{
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。 zO>N 3pMv
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 WNTm
!x. ^ya
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 ?r@euZ&
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ;%
*e}w0
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 f}bUuQrH-!
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ZNPzQ:I@
最后的布局是: P f oAg*
Add RIX0AE
/ \ uK]@!gz
Divide 5
~4Is
/ \ =y7]9SOq
_1 3
1W;3pN
似乎一切都解决了?不。
(H9%a-3
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。 6<H[1PI`,G
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。 vII&v+C
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: @u/<^j3Q
O#A1)~
template < typename Right > $X5~9s1Wl
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const #ITx[X89|
Right & rt) const !mL,Ue3/
{ G;Y,C<)0k
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); L&ws[8-
} 5h[u2&;G
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ~U8#Iq1
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。 UA,&0.7
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。 )T#;1qNB
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。 ,?B.+4CW\E
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。 MvY0?!v
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? Wnl8XHPn
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: $E|W|4N
#2DH_P
template < class Action > 0s0[U
class picker : public Action /db?ltb
{ |]A{8BBC
public : C?rL>_+71
picker( const Action & act) : Action(act) {} kVU|k-?2
// all the operator overloaded 7OtQK`P"A
} ; D0i84I`Z%
i*_KHK
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。 B<1*p,z
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: 5F2+o#*h
O%o#CBf0
template < typename Right > Tc:W=\ <
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const e+y< a~N
{ lha)'
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Pms3X
} zp4ru\
*`}_e)(k
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Y1k/ngH
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。 ]Jnf.3
&K>]!yn
template < typename T > struct picker_maker ?qO,=ms>-
{ 20?i4h_
typedef picker < constant_t < T > > result; f=K1ZD
} ; h!K
B%4V
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > mApn(&
{ "fpj"lf-
typedef picker < T > result; 1r~lh#_8
} ; ys#M*
{?
]3={o3[:
下面总的结构就有了: qh7o;x~,
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。 hsqUiB tc6
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。 j%p~.kW5
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 e<9nt [
至此链式操作完美实现。 W77JXD93
rB4#}+Uq
Z;>~<#!4
七. 问题3 keJec`q=X
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。 =\XAD+
$--PA$H27
template < typename T1, typename T2 > 5)nv
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const \^#1~Kx
{ UkqLLzL
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); LV]\{'
} a^=4'.ok
tjd"05"@:
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: >}4]51s
`% ENGB|
template < typename T1, typename T2 > rqF PUp
struct result_2 dX$])b_Uw
{ p9s~WD/K
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; J:(Shd'4D
} ; ! 4oIx`
KPR{5
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? |wLQ)y*
这个差事就留给了holder自己。 zHdp'J"
ttsB'|ps
xlwsZm{V
template < int Order > BphF+'CM
class holder; (C3d<a\:
template <> 4O`h%`M
class holder < 1 > X*JD
{ SRD&Uf0M
public : kyjH~mK4
template < typename T > CYn}wkz
struct result_1 DA
wzXsx
{ 0iL8i#y*
typedef T & result; +[qkG.
O
} ; uc<@
Fh(
template < typename T1, typename T2 > 7 %|>7
struct result_2 ZF
t^q/pw
{ <=-\so(
typedef T1 & result; ;VuB8cnL`
} ; Orb(xLChJ
template < typename T > d+;wDu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const #NE^f2
{ (s3%1OC[
return (T & )r; -J30g\
} 5`uS<[vA
template < typename T1, typename T2 > "n
e'iJf_(
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Y o(B8}?0!
{ *nc4X9
return (T1 & )r1; kb:C>Y8!sC
} bpx=&74,6m
} ; bVx]r[
OL'=a|g|c
template <> 2|=_kN8;
class holder < 2 > h+W^k+~(
{ %aKkk)s
public : G8s`<:9*
template < typename T > YXtGuO\q
struct result_1 aOHCr>po,
{ s z\RmX
typedef T & result; Pc7:hu
} ; nAg(lNOWN
template < typename T1, typename T2 >
xAjQW=
struct result_2 &rl>{Uvq
{ 5a
~tp'
typedef T2 & result; -!0LIr:"
} ; E5(Y*m!
template < typename T > )ziQ=k6d6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ' XF`&3i
{ 6.|~~/
return (T & )r; c-.>C)
} is(!_Iv
template < typename T1, typename T2 > nnG2z@$-
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const PNKT \yd
{ ;*2e;m~)?
return (T2 & )r2; cDiz!n*.q
} tD]&et
} ; '-IT@}
lX*;KHT )
V,+[XB
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> >。 'j_H{kQy
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: sZ"U=6R
首先 assignment::operator(int, int)被调用: pQ
6#L
Q:O>k CDV
return l(i, j) = r(i, j); EKPTDKut
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) #mhD; .Wg
Fnpn_O XlH
return ( int & )i; mi<D
bnou
return ( int & )j; IxZ.2 67
最后执行i = j; &=Zg0Q
可见,参数被正确的选择了。 ;8iL,^.A
Mlw9#H6
i=UTc1
.w_`d'}
L"h@`3o|
八. 中期总结 _IV@^v
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: .crM!{<Y
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 P! Ed
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 bH/pa#G(
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor fq'Xy9L
RzRvu]]8
@CU|3Qg
bmVgTm&
(}X?v`Y^W
@xm~T|[7
九. 简化 lF8dRIav
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。 n
[Xzo}
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Qf-k&d
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: ~}IvY?!;
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 @B'8SLoP
+-*/&|^等 %DRy&k/T
2. 返回引用。 !""!sFx)R
=,各种复合赋值等 *:T>~ilF
3. 返回固定类型。 QHzX
5$IM
各种逻辑/比较操作符(返回bool) I0H Y#z%
4. 原样返回。 id tQXwa
operator, VuMDV6^Z
5. 返回解引用的类型。 reM
operator*(单目) :.S41S
6. 返回地址。 !^l4EL5#
operator&(单目) K-EI?6`xM
7. 下表访问返回类型。 8<-oJs_o+
operator[] S`c]Fc
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 @oz&
operator<<和operator>> ;Co[y=Z
\ ~LU 'j
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 sMfFm@\ N
例如针对第一条,我们实现一个policy类: A-7wkZ.H
P"=UI$HN
template < typename Left > L_gsG|xX
struct value_return Kcw1uLb
{ 6PJJ?}P^1
template < typename T > Wl !!5\
struct result_1 ]\a\6&R
{ siRnH(^J
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; lNaez3
} ; 64!ame}n+
@r/Id{pCI
template < typename T1, typename T2 > Vgqvvq<S
struct result_2 )"_Ff,9Z!
{ _PyW=Tj
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; o\@ A2r3
} ; ,#E3,bu6_4
} ; -YzQ2#K
+p9LE4g7Q
jU]]:S4xD/
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait IS,zy+w
B_SZ?o
下面我们来剥离functor中的operator() 0a2$P+p
首先operator里面的代码全是下面的形式: < v|%K.yd
$@[dm)M
return l(t) op r(t) .Bb$j=
return l(t1, t2) op r(t1, t2) l~]hGLviJE
return op l(t) }g>dn
return op l(t1, t2) <CZI7]PM7
return l(t) op c!\.[2n
return l(t1, t2) op :"M9*XeHO
return l(t)[r(t)] Y|%anTP
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] U8-Q'1IT&
!Qv5"_
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: xb4Pt`x)rS
单目: return f(l(t), r(t)); Smq r
q
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); &