一. 什么是Lambda ( o(, ;
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 &3@{?K
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, -[h2fqu1
YI877T9>
<l#|I'hP
Lo<-;;vQ
class filler Fl{@B*3@w
{ jV}tjwq
public : *6C ]CS
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} LBcnBo</v
} ; j3W)
xE.yh#?.k
<6!;mb
;cX
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: 6k4ZzQ}
>ocDh~@aP
zp4aiMn1F
q=,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ,$H[DX
)\`.Ru~,
bjR:5@"
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 b6]MJ0do
3dl#:Si
k}0Y&cT!rU
\#yKCA';
二. 战前分析 =x &"aF1
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 gpvzOW/
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 hOOkf mOM
y;GwMi$KI
O
,9,=2j
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); )R+26wZ|n*
/* --------------------------------------------- */ tCF,KP?
vector < int *> vp( 10 ); aSGZF w
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); N I*x):bx
/* --------------------------------------------- */ ],W/IDv
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); B$\,l.hE
/* --------------------------------------------- */ 6r]l8*34;
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); o/J2BZ<_<
/* --------------------------------------------- */ :j<ij]rsI
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Ic<J]+Xq
/* --------------------------------------------- */ D#.N)@\
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1);
|/YwMBi
iXgy/>qgT
e`7dRnx&0
@L-] %C
看了之后,我们可以思考一些问题: K/;*.u`:
1._1, _2是什么? MEI.wJZ
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ,UveH` n-
2._1 = 1是在做什么? Xc}~_.]
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ((AsZ$[S
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。 bTd94
H\PY\O&cP
*7JsmN?
三. 动工 -(;<Q_'s{"
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: iVUkM3
=[
+)T[
-50Nd=1
f|r+qe
template < typename T > ,q".d =6
class assignment {F'~1qf
{ 5ns.||%k
T value; y@'~fI!E4
public : ,,Ia 4c
assignment( const T & v) : value(v) {} bT8 ?(Iu
template < typename T2 > o9JZ-biH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } iD(+\:E
} ; #;lB5) oe
&Sr7?u`k
U4.-{.
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ;+Sc Vz
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment d%(4s~y
9*ek5vPB
>hFg,5 _l3
tsWzM9Yf
class holder k@Q>(`
{ %"gV>E_u
public : C4h4W3w
template < typename T > aj|gt
assignment < T > operator = ( const T & t) const ssUm1F\
{ \Um &
return assignment < T > (t); O={
?c1i:
} xE"QX
N
} ; FWb`F&
P.>5`^
},& =r= B
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: B s {n
SmMJ%lgA6
static holder _1; 713)D4y}
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ixjhZk i<
V.?Oly
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); m`lxQik
而不用手动写一个函数对象。 :dML+R#Ymh
LEgx"H=c
na0-v-
pN-c9n4#j
四. 问题分析 Gc0/*8u/
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。 j-n-2:Q
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。 6<`tb)_2~
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 xU(yc}vw,
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 %AV[vr,
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ;#+Se,)
{[tx^b
五. 问题1:一致性 iqAME%m
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?| AZ'"Ua
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 UPr8Q^wm
g>&b&X&Y_
struct holder QP={b+8
{ yrCY-'%
// wS%j!|xhlV
template < typename T > M?3#XQDvD
T & operator ()( const T & r) const 7eP3pg#
{ 7zWr5U.
return (T & )r; 8(kP=
} G8hq;W4@]/
} ; c)Ep<W<r1
dl;
这样的话assignment也必须相应改动: ]*\m@lWu
p J#<e
template < typename Left, typename Right > 3A)Ec/;~
class assignment #
ZcFxB6)
{ AriW&E
Left l; >SSRwYIN
Right r; cfrvx^,2&
public : n1;y"`gHk
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} &LM ^,xx}
template < typename T2 > W9A
[Z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } v9S1<|jN
} ; fo$Ac
bPhb d
同时,holder的operator=也需要改动: !3JYG
?T\_"G
template < typename T > xZ.c@u6:
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Au[H!J
{ c.JMeh
return assignment < holder, T > ( * this , t); Xb/^n.>
} pU)g93
qR>"r"Fq
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。 f83Tl~
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 0X:
:<N@
Vt;!FZ
return l(rhs) = r; $=rLs)
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。 HLp9_Y{X.
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: /4_^'RB
%J?"ZSh
template < typename Tp > tiHP?N U
class constant_t D$$,T.'u
{ -'wFaW0%I
const Tp t; (;1Pgh
public : H6! <y-
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} iTpU4Qsj
template < typename T > <&Q(I+^
const Tp & operator ()( const T & r) const Ljq!\D
{ P3u,)P&
return t; 1~_&XNb&
} w=K!U]
} ; c=Y8R/G<
" +n\0j;
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 @!MhVNS_<
下面就可以修改holder的operator=了 o*}--d?S
ZA!yw7~
template < typename T > /N?vVp
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ?RI&7699+
{ tM&;b?bJ[
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); oyt#C HX
} wNt-mgir-Q
CTOrBl$70
同时也要修改assignment的operator() U2@Mxw
KfkE'_F
template < typename T2 > m=.}}DcSs
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 6*Y>Y&sea
现在代码看起来就很一致了。 $hGiI
WG\gf\= I
六. 问题2:链式操作 V {H/>>k7
现在让我们来看看如何处理链式操作。 [WxRwE
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 H6Qb]H.C
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ]Y%U5\$
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ujMics(
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct UC{Tm f
M!nwcxB!
template < typename T > leMcY6
struct result_1 -g`3;1EV^
{ MV.$Ay
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; }?vVJm'
} ; 0*-nVC1
<>9zXbI
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: erQ0fW
$hM>%u
template < typename T > w\PCBY=
struct ref O"Ua|8
{ &GetRDr
typedef T & reference; KE
k]<b=
} ; E
02l=M
template < typename T > lAcXi$pF
struct ref < T &> R:}u(N
{ f} _d`?K
typedef T & reference; +&:?*(?Q
} ; v!b
8_0~u6
K0bh;I
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: i9FtS7
u^{6U(%
template < typename T > (b}}'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const =Lyo]8>,X
{ Nr(3!-
return l(t) = r(t); _/iw=-T
} 4EB&Zmg[K
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。 1FO T
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 b5v6Y:f&fK
Y3J;Kk#AH
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 "Nx3_mQ
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: A7SE>e>
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 EE<^q?[3^
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^Nu0+S
最后的布局是: 6-w'? G37
Add N1Pm4joH%
/ \ 0-9.u`)#yu
Divide 5 Q:#Kt@W
/ \ V&>\U?q:
_1 3 <P"4Mk7`s
似乎一切都解决了?不。 ;& PK6G
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。 $^1L|KgXp
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 KOQ9K
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: DIU9Le
S
;; Z
template < typename Right > +uY)MExs2
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 7 ?O~3
Right & rt) const s?2DLXv}!
{ m@_m"1_;
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); lv*fK
} V>2mzc
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 /#,3JU$w
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。 C<?Huw4R0
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。 O!c b-
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。 Qf}^x9'
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。 (^ Q:zU
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? w|uO)/v
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: rq.S0bzH
W"@FRWcd
template < class Action > 3w
B 03\P
class picker : public Action N%,!&\L
{ 5}/TB_W7j
public : -q-/0d<l
picker( const Action & act) : Action(act) {} 27NhYDo
// all the operator overloaded F$QAWs
} ; g+-=/Ge
X@[)jWs
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 { fmY_T[Q8
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 08!pLE
)38M~/ ^l
template < typename Right > D =Pv:)*]
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const a V4p0s6ZZ
{ u*<G20~A
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); K^_Mt!%
} jb~/>I^1
H$/r{gfg^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > h]#wwJF
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。 7fOk]Yl[
[uh$\s7
template < typename T > struct picker_maker | Ts0h?"a
{ ThLnp@
typedef picker < constant_t < T > > result; <Y(lRM{
} ; V|h/a\P
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > t1I` n(]n
{ >9S@:?^&q>
typedef picker < T > result; &$vW
} ; Wy'H4Rg8
a^*@j:[
下面总的结构就有了: #h 4`f
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。 B`/cKfg
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。 a09]5>*
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 )cMW,
至此链式操作完美实现。 c
4<~?L
K`9ph"(Z
oM@X)6P_
七. 问题3 Use`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。 !*?Ss
"o*zZ;>^
template < typename T1, typename T2 > 3KF[ v{
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const u,d@oF(=
{ r] +V:l3
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); <V3N!H_d
} Z]I[?$y
t^=6czk
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: }a(x
L'F
AU@XpaPWh
template < typename T1, typename T2 > 2#n4t2p
struct result_2 K,>D%mJ
{ e6n^l$'
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; _%)v9}D
} ; %#.HFK
!~{AF|2f
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? .Jt&6N
这个差事就留给了holder自己。 dJh T}"x
WheJ 7~
b ;Vy=f
template < int Order > *CA7
{2CX
class holder; i6^COr
template <> XeaO,P
class holder < 1 > ccW z,[
{ ys5b34JN
public : G?Y2 b
template < typename T > w%no6 ;
struct result_1 f3 lKdXnP
{ ;P-xKRU!Xx
typedef T & result; yK +&1U2`
} ; KfXE=v{t
template < typename T1, typename T2 > `hD\u@5Tw
struct result_2 QY,.|
{ (9N75uCa
typedef T1 & result; wn'_;0fg
} ; }ug|&25D
template < typename T > {YCquoF
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const hi>sDU<x
{ <}c`jN!z.
return (T & )r; <y(uu(c
} Fejs9'cB
template < typename T1, typename T2 > X*2MNx^K~
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 3N?WpA768/
{ Q?GmSeUi
return (T1 & )r1; $Nr :YI
} ! K~PH
} ; "YlN_U
U@<>2
template <> Ix,`lFbH
class holder < 2 > N#')Qz:P
{ Go}C{(4T
public : I$4GM
template < typename T > _LV;q! /j
struct result_1 C:n55BE9
{ Q(-:)3g[aL
typedef T & result; ^ ~HV`s
} ; m8F-#?~
template < typename T1, typename T2 > eUYd0L!
struct result_2 xf8C$|,
{ l>RW&C&T
typedef T2 & result; g?ID}E~<
} ; #c V_p
template < typename T > EPCu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const nT0FonK>
{ @0q%&v0
return (T & )r; Mg.xGST
} iHo2=Cz
template < typename T1, typename T2 > %,rUN+vW
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const t)74(
{ X I\zEXO
return (T2 & )r2; YCwfrz
} $X~4J
} ; +I0?D
-r_/b
3&!X8Lhv
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 B
Mh949;
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 3u7^*$S
首先 assignment::operator(int, int)被调用: /JL2dBy#z
d18%zY>
return l(i, j) = r(i, j); F/[vg
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ^'=J'Q
I\O<XJO)_
return ( int & )i; NZ/>nNs
return ( int & )j; />(e.)f
最后执行i = j; 1}mIzrY
可见,参数被正确的选择了。 oc,a
IZczHHEL`b
)p7WU?&I
_dY6Ip%
~Rx[~a
八. 中期总结 y&NO[
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: <qs>c<Vj
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 |1H"ya
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Kw}-<y
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 4,kT4_&,
08&DP^NS
N^A&DrMF
/#M|)V*wn
*P&ZE
Hq h
九. 简化 _NAKVzo-
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。 GMLq3_'
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 -E#!`~&V
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: O0#wM-M
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 DG&14c>g
+-*/&|^等 >Liv].
2. 返回引用。 U]lXw+&
=,各种复合赋值等 t%<nS=u
3. 返回固定类型。 D^To:N7U
各种逻辑/比较操作符(返回bool) w?A&X