一. 什么是Lambda ny:4L{)
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
mPy=,xYyC
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, }x^q?;7xW
~al4`:rRx1
Rh:edQ#
<V-D
class filler GDgq
4vfj
{ V~>
x\
public : CnT]uU
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} t`6R)'
} ; VuqJ&U.-
z+>FKAF
b3z{FP
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: 9K\A4F}
Qb}1tn)
n9}3>~ll
;-:Nw6 E
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 8R;)WlLu=
:qbbo~U
vnT'.cBB:^
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ',o ,o%n
*-gd k9
_%` )cOr
tw/~z2G
二. 战前分析 G{,X_MZ%
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。 QN!$4 1A?{
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 HD1+0<
gn>qd6P
bcp+7b(IB
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 1 Z5:DE<
/* --------------------------------------------- */ [J'O5"T
vector < int *> vp( 10 ); F aOfe] F
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); |]tIE{d
/* --------------------------------------------- */ FOA y'76p
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); VfK8')IXk
/* --------------------------------------------- */ DeTx7 i0
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); xWv@PqXD
/* --------------------------------------------- */ WQ(*A
$
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); dvWQ?1l_
/* --------------------------------------------- */ T(UPWsj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &\Es\qVSf
&R\t<X9 n
a9h K8e
Sl,\<a
看了之后,我们可以思考一些问题: 7$8YBcZ6
1._1, _2是什么? "Zo<$p3]
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。 h/7m.p]
2._1 = 1是在做什么? ^h}xFiAV#
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。 bG`aF*10)!
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。 dWhki|c
9"5J-a'
ev}lb+pr)_
三. 动工 hx4X#_)v
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 8CR b6
&Ff#E?Y4|
1$&(ei]*:
yHY \4OHS
template < typename T > .DzFtc
class assignment v##k,R.d
{ $IZ02ZM$
T value; PyOj{WX>W
public : n&? --9r
assignment( const T & v) : value(v) {} zGfF.q}
template < typename T2 > ^W&qTSjh
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 9~
[Sio~
} ; >}& :y{z~
VI{!ZD]
@2>A\0U
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 k
E^%w?C
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Sn(e@|!G
;}iV`)S
p~/
;7jszs.6%
class holder }Zs
y&K
{ sop*?0
public : z}'-gv\,
template < typename T > {h<V^r
assignment < T > operator = ( const T & t) const R^DZ@[\iV
{ )=KD
return assignment < T > (t); T d E.e(
} gj(|#n5C
} ; Fx6c*KNX3
=l7@YCj5c
?X'm>R. @
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: 2pKkg>/S
:gD=F &V
static holder _1; rb"J{^
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 =;hz,+
it
Byw1/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); us/}_r74N*
而不用手动写一个函数对象。 ULqFJ*nla
Oz3JMZe
~F gxhK2+
Ez\TwK
四. 问题分析 X+0+}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。 re]e4lZ
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。 }0Q_yuzx0m
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 S!'Y:AeD&
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 V 6DWYs>
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Bri yy
41Y1M]`=
五. 问题1:一致性 ,~z*V;y)
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?| w"A.*8Iu
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 !
MTmG/^
b3'U}0Ug
struct holder T?4pV#
{ XLu Y
// F(!9;O5J]
template < typename T > 2.,4b- ^
T & operator ()( const T & r) const 6cO36
{ 7?U)V03
return (T & )r; ]0Y5 Z)3:z
}
O,a1?_m8
} ; y\?T%g
5]-q.A5m
这样的话assignment也必须相应改动: l2Gtw*i_I
$(3mpQAg
template < typename Left, typename Right > tsYBZaH
class assignment |^S{vub
{ aEL^N0\d
Left l; `(2Y%L(r
Right r; -~Ll;}nZC
public : ]AB<OjF1c|
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} |\#~
template < typename T2 > ,Y)7M3I
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } _Se0,Uns
} ; C\3;o]
"!g}Q*
同时,holder的operator=也需要改动: vYPZVqF_$
yH9(ru
template < typename T > 3A`|$So
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const sz"N,-<Ig
{ qKSS 2f $
return assignment < holder, T > ( * this , t); O`M6=\
} %0y_WIjz
D1ep7ykY
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。 43'!<[?x
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 h4 X=d5qd
_A>?@3La9
return l(rhs) = r; 8q}955Nl
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。 4X}.aZO&b
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: rf ?\s/#OY
~W>3EJghR,
template < typename Tp > A$7j B4
class constant_t ;4%Co)Rw
{ 3J3Yt`
const Tp t; q6]T;)U&
public : 9I|D"zXn
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} pO_$ 8=G+
template < typename T > :{g;J
const Tp & operator ()( const T & r) const &1 BACKu
{ 6zZT5
Kn
return t; \aY<| 7zK
} }wIF$v?M
} ; d,5,OJY2f
E ',z<S
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 _spW~"|G
下面就可以修改holder的operator=了 ,pTj'I
Y\
C"3+I
template < typename T > qexnsL
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const _{
Np_(g
{ -$A
>b8
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 2+oS'nL
} kgv29j?k;
x@p1(V.
同时也要修改assignment的operator() S^ q%+Z
59l9^<{A
template < typename T2 > Clo}kdkd_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } )Y](Mj!D
现在代码看起来就很一致了。 EK%J%NY
~_]i'ii8
六. 问题2:链式操作 H"; !A=0
现在让我们来看看如何处理链式操作。 8
U<$u,WS
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 \dHdL\f
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 sJ>JHv
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 =mp"=%
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 6N#0D2~^
uBUT84i
template < typename T > v[b|J7k
struct result_1 i"h~QEE
{ Oj F]K,$
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; nw
} ; KKRj#m(:!
7%sx["%@
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: )F\^-laMuK
O4g2s8k
template < typename T > ww5UQs2sn
struct ref c $n`=NI
{ .5E6MF
typedef T & reference; +v)+ k
} ; ']:>Ww.S
template < typename T > bCg)PJuB
struct ref < T &> cl{kCSZo.z
{ IQ $/|b/
typedef T & reference; }? :T*CJ
} ; qCI0[U@
#ULzh&yO
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: b(Nxk2uv
1Xkl.FcFw
template < typename T > g/W&Ap;qVL
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Da)H/3ii
{ xFj<KvV[
return l(t) = r(t); BmI'XB3'P
} jV.9d@EC
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。 5?34<B
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 5@nvcCp
.)|2^ 'W
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 nhLw&V3y
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: _x]q`[Dih
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 @M)"
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ]A,Og_g
最后的布局是: y6P-:f/&*
Add ,KaO8^PB
/ \ J93@\b
Divide 5 tpn.\z%
/ \ KPxf
_1 3 b~C^cM
似乎一切都解决了?不。 YfUo=ku
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。 ZPlY]e
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。 ,CP&o
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: IWT
-)+
{O_`eS
template < typename Right > i{7Vh0n3S-
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const j-k]|0ea}
Right & rt) const S^7u`-
{ 303x|y
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); wqF_hs(O
} /_V4gwb}|-
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Is(ZVI
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。 ?/YT,W<c;&
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。 CPLsSv5
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。 R,8460e7
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。 =kBWY9:$,
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? C[[:/X(c
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: 3a?dNwM@
.|/VD'xV"
template < class Action > [u;>b?[{
class picker : public Action 1$nuh@-ys
{ ]?k\ qS
public : =p \eh?^
picker( const Action & act) : Action(act) {} 6Zmzo,{
// all the operator overloaded F
@uOXNz)
} ; NI2-*G_M
uX8G<7O^
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 }UWi[UgA
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: '^`%
| W<jN
template < typename Right > roNs~]6
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const vPET'Bf(YV
{ ]DK.4\^
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt);
PX5U)
} |D~#9
FJIo]p
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > -"x25~k!?F
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 RX,c 4;
n=%D}W
template < typename T > struct picker_maker B18?)LA
{ BUU ) Sz
typedef picker < constant_t < T > > result; POb2U1Sj
} ; >]/aG!
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > tREC)+*\
{ S!g0J}.z
typedef picker < T > result; S*(ns<L
} ; uE&2M>2
PHg(O:3WG
下面总的结构就有了: o(Q='kK
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 */ok]kX'
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 43/!pW
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 BF(Kaf;<t.
至此链式操作完美实现。 SAUG+{Uq
1V;m8)RF
Rqun}v}
七. 问题3 P+(Ys[J3
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ~uw eBp~O
{AO`[
template < typename T1, typename T2 > iYl{V']A
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const (lLCAmK5?
{ j)lgF:
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); {3N5Fi7S
} FSyeDC^@
giu8EjzK
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: jHM}({)-
1w|u
^[~u\
template < typename T1, typename T2 > z{G@t0q
struct result_2 G-G\l?R(
{ Wfj*)j
Q
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 3R[,,WAj$
} ; (d}z>?L
(!dwUB
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? TuMD+^x
这个差事就留给了holder自己。 c7/fQc)h4d
@^K_>s9B
[p 8fg!|
template < int Order > V1\x.0Fs
class holder; W*Ce1
template <> (0QYX[(r~o
class holder < 1 > nCSXvd/
{ R\>=}7
public : XFcIBWS
template < typename T > k+As#7V
struct result_1 Jkub|w#QH
{ ?KXgG'!!
typedef T & result; & <Jvaf_=
} ; 9|&%"~6'
template < typename T1, typename T2 > .>|]Lo(=l
struct result_2 Y)9]I6n7
{ =RQ\i6Y
typedef T1 & result; uJ>_
2
} ; @P
xX]e
template < typename T > Czt>?8x`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7Hp~:i30
{ ,?>:Cdz4
return (T & )r; te8lF{R
} l@nG?l #
template < typename T1, typename T2 > 7|$
H}$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const x\!Uk!fM
{ 7s'r3}B`
return (T1 & )r1; x#&%lJT
} ]{E{ IW8
} ; 3&vUR(10
4
n\dh<uY
template <> J3#
class holder < 2 > , K[}Bz
{ 6$"0!fl>
public : "\u_gk{g
template < typename T > :Y>M//0
struct result_1 @qWes@
{ S!wY6z
typedef T & result; *WX,bN6Ot
} ; d&[.=M\E8
template < typename T1, typename T2 > Ex3V[v+D(
struct result_2 K#oF=4_/|
{ *Zi:^<hv
typedef T2 & result;
C#x9RW
} ; ,T3_*:0hk!
template < typename T > T<=]Vg)^r"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const *O@uF4+!1
{ ~R\Z&oQ
return (T & )r; Dt p\T|)
} tr$~INe
template < typename T1, typename T2 > wa}\bNKQk
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const -jOCzp
{ >"q~9b
A
return (T2 & )r2; :D !}jN/)
} tlz)V1L
} ; K=mW`XXup
h(VF
p 6FPdt)
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> >。 m?=9j~F*
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: rxJWU JMxK
首先 assignment::operator(int, int)被调用: }n91aE3v
;wkoQ8FD9
return l(i, j) = r(i, j); r]+N(&q
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) `&-)(#
yhi6RDS
return ( int & )i; 235wl
return ( int & )j; y
2v69nu~q
最后执行i = j; ~Q)137u]P
可见,参数被正确的选择了。 8!uqR!M<C
'WW['
.^J7^Ky,
d5ivtK?
yAt,XG3
八. 中期总结 \.7O0Q{
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: E5}wR(i,4
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 l;gj],*
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 NFQR
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor /K./k!'z
,wvzY7%
L?c7M}vV
ve|`I=?2
H _%yh,L
l*Iy:j(B
九. 简化 M!ra3Y
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。 ix=H=U]Q{
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 (YJ]}J^
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: ORo +=2
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 5wws8w
+-*/&|^等 ;f8$vW];
2. 返回引用。 Rr'^l]
=,各种复合赋值等 /:j9#kj
3. 返回固定类型。 8v)PDO~D}A
各种逻辑/比较操作符(返回bool) uJP9J U
4. 原样返回。 -bHfo%"^TT
operator, %)K)h&m