一. 什么是Lambda +A?U{q
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 O)r4?<Q
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, =fFP5e ['
sdw(R#GE
=]0&i]z[.
Se =`N
class filler "oO%`:pb
{ ][Rh28?I{
public : R~q]JSIC@
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |Ds1
} ; -m~#Bq
PALc;"]O
oe-\ozJ0
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: Wdbed U~`Q
.3Oap*X
a<bwzX|.
\z(gqkc 6
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); JY(WK@
Qd3 j%(
P71Lqy)5}A
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 0YDR1dO(*
*VT/
</*6wpN
XU(eEnmom
二. 战前分析 Q>i^s@0
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。 k~nBiV
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 k~w*W X'
]~3V}z,T*
-6B4sZpzD
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); r mg}N
/* --------------------------------------------- */ 7J<5f)
vector < int *> vp( 10 ); QhJiB%M
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 8v%o,"
/* --------------------------------------------- */ &^Q/,H~S
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); c\AfaK^KF
/* --------------------------------------------- */ ;u)I\3`*!
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); $*fMR,~t&
/* --------------------------------------------- */ |@4' <4t
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' );
7hPY_W
y
/* --------------------------------------------- */ zy
}$i?
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); v`1M[
p0vVkdd
?gGHj-HYJ
:"/d|i`T
看了之后,我们可以思考一些问题: )\$|X}uny&
1._1, _2是什么? Btcy)LRk
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。 /IMFO:c
2._1 = 1是在做什么? 0n{=%Q
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。 h~zT ydnH
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。 Ig>(m49d
Er?&Y,o
%1+4_g9
三. 动工 (SAs-
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Rnq7LGy
)+9Uoe~6
qlPT Ll
<wD-qT W
template < typename T >
[/8%3
class assignment S 30%)<W
{ 0<@@?G
T value; (n_/`dP
public : 'TB2:W3
assignment( const T & v) : value(v) {} _X
x/(.O
template < typename T2 > kE1TP]|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } * r7rZFS
} ; '6%2.[o
IW] rb/H
ysY*k` 5
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 lL0APT;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment IJcsmNWm
\qJXF|z<K
d8P^lv*rQW
|P?*5xPB
class holder AFwdJte9e
{ uQKT
public : YPI-<vM~
template < typename T > O0H.C0}
assignment < T > operator = ( const T & t) const O?#7N[7
{ b@hqz!)l`
return assignment < T > (t); 88$8d>-
} :gFx{*xN/9
} ; $/Uq0U
a0)QH
!R`{ TbN
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: ~*];pV]A[
$6R-5oQ
static holder _1; 5]:U9ts#
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 }i&/G+_
X|]AT9W
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sc#qwQ#
而不用手动写一个函数对象。 MkXmA`cP
3F^Q51:t
W ]8QM1$
QS;f\'1bb
四. 问题分析 SiN0OB
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^P#{W!e\
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。 {Ou1KDy#)
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 XfIJ4ZM5
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 LCV(,lu
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Xne1gms
dft!lBN
五. 问题1:一致性 BDQsP$'6QT
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| /Z}}(6T
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 +D*Z_Yh6
>9Vn.S
struct holder }4X0epPp;:
{ ]7c=PC
// R`-S/C
template < typename T > MVUJD{X#
T & operator ()( const T & r) const <b*DQ:N
{ A?OQE9'
return (T & )r; &_8947
} }"%N4(Kd
} ; <(#ej4ar,
~v6D#@%A
这样的话assignment也必须相应改动: |CbikE}kL
@BMx!r5kn
template < typename Left, typename Right > goWuw}?
class assignment \cM2k-
{ lr&a;aZp
Left l; lPAQ3t!,
Right r; =($xG#g`
public : ,|/f`Pl
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} cPQiUU~W@
template < typename T2 > YtLt*Ig%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 86a\+Kz%%L
} ; W[r>.7>?h
E' uZA
同时,holder的operator=也需要改动: 8zq=N#x
[{/jI\?v
template < typename T > #,'kXj
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const lH~[f
{ *lJxH8 \
return assignment < holder, T > ( * this , t); J]r^W)O
} bpa?C
<(! :$
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。 &5!8F(7
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ZS o)
e]$s
t?
return l(rhs) = r; o^wqFX(Y
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 X2"/%!65{
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: >/6 _ ^
dqcL]e
template < typename Tp > @>7%qS
class constant_t WTiD[u
{ V0Hj8}l;M
const Tp t; iH'p>s5L
public : iK;XZZ(
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} w&.aQGR#
template < typename T > M
D#jj3y
const Tp & operator ()( const T & r) const AQ^u
{ a$fnh3j[
return t; #4;wjcGWw
} :Llb< MY2
} ; )Q JUUn#
(**oRwr%
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ]eV8b*d6
下面就可以修改holder的operator=了 K:WDl;8(d
'Z]w^<
template < typename T > g0E'g
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const QTnP'5y
{ ,`sv1xwd
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); aDN`6[
} y>ktcuML
Pc]HP
同时也要修改assignment的operator() MWh6]gGs
0tJZ4(0
template < typename T2 > 3__-nV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } *yGGBqd
现在代码看起来就很一致了。 wdoR%b{M
bhs
_9ivw
六. 问题2:链式操作 c[s4EUG
现在让我们来看看如何处理链式操作。 WfRXP^a
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。 *OQ2ucC8j
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。 &9>vl*
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。 H6gSO(U
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct -7|H}!DFT
Fs^Mw
go
template < typename T > A<fG}q1#
struct result_1 DIUjn;>k8
{ [KQ6Ta.
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; oD@7
SF
} ; N)Z?Z+}h
:2)/FPL6
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: EEL,^3KR
BLJj(-
template < typename T > +W+|%qM,\
struct ref {Hk}Kow
{ `wU!`\
typedef T & reference; q75s#[<ap
} ; Yoll?_k+
template < typename T > x$(f7?s] 1
struct ref < T &> 8a"%0d#
{ xe$_aBU
typedef T & reference; ft
Wv~Eh
} ; EB|}fz
S5EK~#-L[
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ?Ss!e$jf
]J]h#ZHx
template < typename T > {(?4!rh
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const pmYHUj
#
{ !Xw5<J3L-
return l(t) = r(t); (C)p9-,
} 3T0"" !Q
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。 f|oh.z_R
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 f`66h M[
)BfAw
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 z([</D?
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: r:TH]hs12+
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 wwcBsJ1{
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^LzF@{ G
最后的布局是: _h1mF<\ X^
Add 7 Fsay+a
/ \ G .4X'
Divide 5 ]
@fk] ]R
/ \ |(^PS8wG
_1 3 11;zNjD|
似乎一切都解决了?不。 J<lO=
+mg
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。 Y\'}a+:@Ph
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。 P0jtp7)7
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: Fv`,3aNB
sW8dPw
O
template < typename Right > "tpSg
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const `5Zz5V
Right & rt) const T^]}Oy@e,J
{ Nmh*EAJSy
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); B4 }bVjs
} hehFEyx
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 [z9Z5sLO
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。 0+b1vhQ
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。 }\k"n{!"
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。 -d:Jta!}{
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。 !jR=pI fq
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? Jxm.cC5z.
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: y"wShAR
-A!%*9Z
template < class Action > S|+o-[e8O
class picker : public Action ,s;UfF
{ k"w"hg&e
public : t\ewHZG"
picker( const Action & act) : Action(act) {} v|2T%y_
u
// all the operator overloaded =w0R$&b&
} ; 8)I^ t81
3?
+Hd
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。 lnR{jtWP
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: 6)Lk-D
Pgea NK5Y
template < typename Right > H7:] ]j1
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const VP]% Hni]
{ C;urBsC
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); u;c?d!E
} HHsmLo c4
Z?QC!bWb
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > s->^=dy
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。 [cp+i^f
o"#\
>
template < typename T > struct picker_maker 92KRb;c
{ }`~+]9<
typedef picker < constant_t < T > > result; |
%Vh`HT
} ; XOS[No~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > kZ3ThIk%
{ g}',(tPMZ
typedef picker < T > result; ~Jz6O U*z
} ; ixD)VcD-f
S^ \Vgi(
下面总的结构就有了: /t"3!Z?BOv
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。 _a T5jR=
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。 E~oOKQ5W
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Y0-n\|
至此链式操作完美实现。 @I!0-OjL
)Z9>$V$j
,01"SWE
七. 问题3 ?.;c$'
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。 e**qF=HCw
[HZv8HU|
template < typename T1, typename T2 > |#
2.Q:&
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 0KOgw*>_
{ ,DkNLE
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); W:L
AP
R
} WI-1)1t
'1s0D]
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: :Fvrs(
x
r\V
={p
template < typename T1, typename T2 > NHZz _a=
struct result_2 s,&Z=zt0R
{ JnM["Q=`
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; v^ VitLC
} ; :G%61x&=Zc
$ gS>FJ
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? }Kbb4]t|"
这个差事就留给了holder自己。 B,epzI
v
z '&%(
;@|n @ax
template < int Order > 81
sG
class holder; SKsKPqz
template <> wD'SPk5S?
class holder < 1 > Z}Ft:7
{ DN5 7p!z
public : o:Sa,
!DK
template < typename T > Fy-t T]Q9
struct result_1 HRfYl,S,
{ wEvVL
typedef T & result; ?+}_1x`
} ; 'AS|ZRr/
template < typename T1, typename T2 > xYpd: Sm
struct result_2 k_nql8H
{ E#N|wq
typedef T1 & result; ZX./P0
} ; `&c kZiq
template < typename T > .5ha}=z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const p4
^yVa
{ n]o<S+z
return (T & )r; %aVq+kC h
} x-&@wMqkc
template < typename T1, typename T2 > |H+UOEiv,p
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 8NAON5.!
{ ZeaA%y67U
return (T1 & )r1; cB}D^O
} 4)urU7[ &)
} ; ={@6{-tl
<1${1A <Wa
template <> [j/9neaye
class holder < 2 > N~zdWnSZ@G
{ #fn)k1
public : ,M
^<CJ
template < typename T > @O^6&\s>
struct result_1 dE{dZ#Jfi
{ )W
_v:?A9
typedef T & result; |"CZ T#
} ; nazZ*lC
template < typename T1, typename T2 > Gm^U;u}=f
struct result_2 EaY?aAuS:
{ kzUIZ/+ZL,
typedef T2 & result; EDl!w:
} ; 9gK`E
template < typename T > M\Ye<Tk
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const HJ[c M6$2
{ B!L{
return (T & )r; rlSeu5X6
} <
!C)x
template < typename T1, typename T2 > ['tY4$L(
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const SP_75BJ
{ R=2FNP
return (T2 & )r2; ,G?WAOy,
} h_,i&d@(
} ; j@3Q;F0ba
r1{@Ucw2
">,|V-H
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> >。 ag;pN*z
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: jZkcBIK2
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ?ri?GmI|
2E)-M9ds
return l(i, j) = r(i, j); 9ZsVy
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Nkth>7*
a:OQGhc=
return ( int & )i; ~1AgD-:Jz
return ( int & )j; `MN4uC
最后执行i = j; ,77d(bR<
可见,参数被正确的选择了。 CXx*_@}MU
u$Jz~:=,
,pQZ@I\z
dhf!o0'1M
x,@B(9No
八. 中期总结 Zbt.t]N
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: '9Xu
p
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Vl=l?A8
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @&3EJ1
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor -[9JJ/7y
`*cxH..
3-qr)h
!v_|zoCEj
Ru!iR#s)!
*:LK8U
九. 简化 x$.^"l-vX
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。 :B5Fdp3
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 :tB1D@Cb6
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: iDz++VNV
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 /}fHt^2H
+-*/&|^等 {{D)YldtA
2. 返回引用。 *-=(Q`3
=,各种复合赋值等 bL+_j}{:N
3. 返回固定类型。 f<fXsSv(
各种逻辑/比较操作符(返回bool) l\!fj#
4. 原样返回。 mCsMqDH
operator, .* ?wF
5. 返回解引用的类型。 I7vz+>Jr
operator*(单目) ):6 8%,
6. 返回地址。 M2>Vj/
operator&(单目) +yH7v5W
7. 下表访问返回类型。 z2_*%S@
operator[] "ESwA
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Ky!Y"
operator<<和operator>> pnowy;
%G_B^p4
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。 r?lf($D*
例如针对第一条,我们实现一个policy类: HJLG=mU
G )trG9 .a
template < typename Left > gx8ouOh
struct value_return oWim}Er=
{ FxtQXu-g
template < typename T > F|o:W75
struct result_1 j_!F*yul
{ 7{)G_?Q&
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; L_uVL#To
} ; NMa} {*sQ
:Ij{s
template < typename T1, typename T2 > g1/[eoZzk
struct result_2 tqvN0vY5
{ D9CaFu
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; J6s`'gFns
} ; qo90t{|c
} ; 'KS,'%
nQX:T;WL@
uD$u2
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 8 S:w7Hr
&Fzb6/
下面我们来剥离functor中的operator() @uqd.Q
首先operator里面的代码全是下面的形式: ?wiCQ6*$
b8`)y<