一. 什么是Lambda `/O AgV"`
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 O 9C&1A|lA
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, k2@]nW"S
s IFE:/1,
,v<7O_A/e
.VCF[AleS
class filler &|<f|BMX
{ gYCr,-_i
public : mqj-/DN6*
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 5Xf]j=_
} ;
$nb.[si\
_u+ 7>
<iA\ZS:
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: [#9i@40
E.Q]X]q
ua)jGif
DXo]O}VF
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); u0GHcpOm
au04F]-|j8
9O- 2
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 pI:,Lt1B
l n\qvD_
Zwm/ c]6`
?G5,}%
二. 战前分析 p#CjkL
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 +J|H~`
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 cT(6>@9@
4EHrd;|
,sIC=V +
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); n m<?oI*\
/* --------------------------------------------- */ 0'Si
^>bW
vector < int *> vp( 10 ); Z6rhInIY
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); x ZP*%yM
/* --------------------------------------------- */ Kp6 @?
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); +ID\u
<?
/* --------------------------------------------- */ 0:`|T jf_
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); #]x3(}3W
/* --------------------------------------------- */ d)emTXB(
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); +rJ6DZ
/* --------------------------------------------- */ At"$Cu!k
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); +]s,VSL5`
ov,|`FdU^T
_Z Sp$>)/
{Q3OT
看了之后,我们可以思考一些问题: P&uSh?[ ^
1._1, _2是什么? oX;.v9a
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 Oj;*Gi9E
2._1 = 1是在做什么? ;U|(rM;
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 pY`$k#5
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。 *^uK=CH1?(
dgjK\pH`h
Ln4]uqMG.
三. 动工 7ocUFY0"
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: d/bimQ
9F>`M
$Lr&V~
~= *o
template < typename T > Qds<j{2
class assignment /[<F
f
{ &{V |%u}v
T value; byxlC?q7
public : {^z73Gxt,
assignment( const T & v) : value(v) {} 4<i#TCGex3
template < typename T2 > AH#mL
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } rO7_K>g?
} ; Y(g_h:lf,]
Hu"$)V
hzsQK_;S
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 bzFac5n)Q
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 9wYm(7M6
iT}>a30]B
&DWSf`:Hx
e*2^
class holder -D~K9u]U_
{ ubM1Q r
public : ,)1C"'
template < typename T > &<N8d(
assignment < T > operator = ( const T & t) const ^I!Z)/
{ ~JT`q:l-q
return assignment < T > (t); ~6f/jCluR%
} I _KHQ&Z*
} ; I{89chi
3Y)&[aj
rRRh-%.RU
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: t`8Jz~G`
nnyT,e%
static holder _1; Gd
4S7JE
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 AwZ@)0Wy
1Vy8eI`4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); %unn{92)
而不用手动写一个函数对象。 =FzmifTc
9
Zo s;
z:-{Y2F
hoFgs9
四. 问题分析 aH"d~Y^
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。 8WytvwB}
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。 uU)t_W&-J
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 >Lcu
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 (d&" @
下面我们可以对这几个问题进行分析。 w~+*Vd~U
`:iMGqZN
五. 问题1:一致性 oO
tjG3B({
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?| ;l;jTb ^l
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ,O:4[M !$w
C/!P&`<6
struct holder 4m\Cc_:jO
{ d[h=<?E5
// !*c%Dj
template < typename T > &5HI
T & operator ()( const T & r) const \ ERBb.
{ Ge)G.> c
return (T & )r; ^X#)'\T
} ~[!Tpq5
} ; 0Y0z7A:
Wgf
f+7k
这样的话assignment也必须相应改动: *fY*Wy9
x<t?Yc9
template < typename Left, typename Right > F4=X(P_6
class assignment =&g:dX|q8
{ #: EhGlq8
Left l; 5#z7Hj&w
Right r; [?6+ r
public : [ !~8TF
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} D8k >f ]
template < typename T2 > ]@_|A, ]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; }
rhF2U
} ; di;~$rI!?
W<#Kam:8e
同时,holder的operator=也需要改动: &gh>'z;`r
-Nr*na^H9#
template < typename T > Z%sTj6Th
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const BD$Lf,_
{ (;Bh7Ft
return assignment < holder, T > ( * this , t); )"Ujx`]4r
} 87pu\(,'
(wH+ 0
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。
zW ?=^bE
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 {#t7lV'4
U8aNL
sw
return l(rhs) = r; CT\rx>[J.6
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。 1q
ZnyJ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ;<MHl[jJD
aEEb1Y
template < typename Tp > z3^gufOkQ
class constant_t ,-n_(U
{ &G-dxET]
const Tp t; _Kli~$c& M
public : TPj,4&|
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} [$]-W$j+
template < typename T > TCgW^iu
const Tp & operator ()( const T & r) const >kuu\
{ m8l!+8
return t; Eg4&D4TGp
} ),,0T/69+9
} ; V2yX;u
A/ Sj>Y1j
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 U$=Z`^<
下面就可以修改holder的operator=了 IUG}Q7w5
?wIw$p>wT
template < typename T > x9]vhR/av
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const nWd;XR6|
{ eS%8WmCV9<
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 5o^\jTEl^
} Z0 c|;
b$/7rVH!
同时也要修改assignment的operator() DRVvC~M-,
+}g6X6m
template < typename T2 > *]Eyf")
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Lu71Qdu09
现在代码看起来就很一致了。 .|:R#VW
(F*y27_u
六. 问题2:链式操作 $GD
Q1&Z
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ]~pM;6Pu0
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 %mS>v|
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ;|,*zD
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 K7,Sr1O `
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct OP``+z>
GCrsf
template < typename T > XS>( Bu
struct result_1 ,y)V5
c1
{ T'5MO\
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; BWkTQd<t
} ; TOx@Y$_9Q8
!#4b#l(e6
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: #,SPV&
j9f Q V
template < typename T > p3IhK>
struct ref A4)TJY
3g
{ cj|Urt
typedef T & reference; F>k/;@d
} ; 7Y
4!
template < typename T > lgefTT GX)
struct ref < T &> O}z-g&e.U
{ s[t?At->
typedef T & reference; VP }To
} ; 1Uc/r>u9
gS!zaD7Nr
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: !!)NER-dv
.bNG:y>
template < typename T > 5~RR
_G
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const <SSkCw
{ gAK"ShOhG=
return l(t) = r(t); ._6Q "JAB
}
\[]4rXZN0
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。 4@9xq<<5
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ,a":/ /[
oUL4l=dj.
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 @lCyH(c%
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Ime"}*9
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Eu[/* t+l
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 $OaxetPH
最后的布局是: eI/5foA
Add d_Z?i#r0l
/ \ }(9ZME<(
Divide 5 *~`BG5w
/ \ AK&=/[U>
_1 3 8Q73h/3
似乎一切都解决了?不。 Cq}E5M
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 q!YAA\'31
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 5 i=C?W`'
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: pzeCdHF
C ~04#z_$
template < typename Right > ggy9euWV
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Q6xA@"GJ
Right & rt) const @jKB[S;JSn
{ rXq{WS`
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); BCh|^Pk
} k\-h-0[|
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 0@Z}.k30
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。 !gJw?(8"
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。 ;KT5qiqYH
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。 cVDcda|PE
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。 v4F+^0?
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?
es<
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: xcH&B%;f
=X7_!vSv
template < class Action > LX#gc.c
class picker : public Action d-TpY*v
{ \t)`Cp6,[b
public : R$;TX^r'o&
picker( const Action & act) : Action(act) {} BO.Db``
// all the operator overloaded >~_)2_j
} ; ~7m+N)5
e9>~mtx
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。 DKF
'*
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: gj
I>tz}
my#\(E+
template < typename Right > 45WJb+$
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const &^l(RBp]0
{ V)P8w#,
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ]'pL*&"X
} uaZHM@D
Y(R.<LtY
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > egVKAR-
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。 AWJA?
PbsxjP
template < typename T > struct picker_maker lnRL^ }
{ =}.gU WV
typedef picker < constant_t < T > > result; [v\m)5
} ; h J0U-m
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ?wFL\C
{ "lSh4X
typedef picker < T > result; `46z D
?
} ; T"<)B^8f
'by+hXk
下面总的结构就有了: jcb&h@T8kv
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。 W1EYVXN
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。 3#Bb4\_v
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 !#=3>\np+X
至此链式操作完美实现。 eze%RjO}
l qKj;'
Qj*.Z4ue
七. 问题3 Dp!91NgB p
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。 MpBdke$
52zE -SY
template < typename T1, typename T2 > &}
{ #g
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const /(.:l +[w[
{ LD1&8kJ*l
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); O1bW, n(
} uxB`
imeE&
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: }>d
K/K-u
template < typename T1, typename T2 > b?c/J{me
struct result_2 EO~L.E%W
{ }YVF
fi~
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 5doi4b>]!
} ; 8'%m!
(zsv!U
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? IWq#W(yM
这个差事就留给了holder自己。 n\3#69VY
_OyQ:>M6P
&lLfVa-l
template < int Order >
\2e^x
class holder; KmTFJ,iM
template <> -5 D<zP/
class holder < 1 > T7^;!;i`X
{ {(!JYz~P
public : <r.QS[:h
template < typename T > ,(pp+hNq
struct result_1 -v.\W y~\
{ oJ\g0|\qwe
typedef T & result; ?-vWNv
} ; tP7<WGHd/
template < typename T1, typename T2 > DZtpY{=Z
struct result_2 Z)M
"`2Ur
{ jr? /wtw
typedef T1 & result; T7.Iqw3p
} ; fy4zBI@
template < typename T > ;Pt8\X
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const VMRfDaO9
{ <D ~hhGb
return (T & )r; Q(nTL WW
} 45sEhs[$
template < typename T1, typename T2 > .R)P
|@z L
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const H3<tsK=:
{ WSu6chz)
return (T1 & )r1; i[IFD]Xy!j
} -smN}*3[
} ; ,3Q~X$f
pE)NSZ
template <> = IRot
class holder < 2 > _d5:Y
{ \ +%~7Bi]z
public : L
AasmQ
template < typename T > OW4j!W
struct result_1 X$we\t
{ S
F*C'
typedef T & result; CF{b Yf^%
} ; $h{m")]
template < typename T1, typename T2 > r6Yd"~ n
struct result_2 5MB`yRVv
{ I.jqC2G
typedef T2 & result; 7sxX?u
} ; g2|Myz)
template < typename T > 6MT
(k:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const EVX3uC}{
{ )OV0YfO
return (T & )r; 3y}E*QE
} hTX[W%K
template < typename T1, typename T2 > xR0T'@q
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const "CJ~BJI%
{ \N*([{X
return (T2 & )r2; wc;n=
%
} 4|`>}Nu
} ; 7EE{*}?0E
d2`g,~d
\sAaVdZJH(
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 2Cz haO
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 0hemXvv1
首先 assignment::operator(int, int)被调用: A9MM^jV8
?uq`| 1`
return l(i, j) = r(i, j); t>\sP
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) UucI>E3?P{
F}nwTras
return ( int & )i; 7&ED>Bk
return ( int & )j; 9=>fx
最后执行i = j; LORcf 1X/
可见,参数被正确的选择了。 k8w\d+!v
T$%|=gq
+-!E%$
rm[C{Pn
R@o&c%K"
八. 中期总结 Y$=jAN
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: D<S C
`
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 g_Z
tDxz
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 =fcg4h5(
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Y %"Ji[
O(T5
;V}:0{p
}| DspO
X94a
YWFE*wQ!
九. 简化 |[*Bn3E:
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 c7e,lgG-
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Pxlc RF
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: 0pZvW
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 j6m;03<|
+-*/&|^等 WMB%?30
2. 返回引用。 9kL,69d2
=,各种复合赋值等 4{P+p!4
3. 返回固定类型。 QQ(}71U
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 4zoQe>v~
4. 原样返回。 b#VtPn]
operator, `b?uQ\#-M
5. 返回解引用的类型。 ^hIdmTf6
operator*(单目) Zy}tZ RG
6. 返回地址。 '~[8>Q>
operator&(单目) !}&|a~U@`k
7. 下表访问返回类型。 PYkhY;*
operator[] [YDSS/
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 -#v~;Ci
operator<<和operator>> p*
>z:=
(S[z
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 hOj{y2sc
例如针对第一条,我们实现一个policy类: um2a#6uo
xcB\Y:
template < typename Left > ]VI^ hhf
struct value_return At Wv9
{ :Jd7q.
template < typename T > (V{/8%mWc
struct result_1 i^s Vy
{ f"MID6
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Rlq7.2cP
} ; Sc<dxY@w7-
NoI|Dz
template < typename T1, typename T2 > RN$vKJk
struct result_2 7({)ou x
{ S$mv(C
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; F y+NJSG
} ; Xaq;d'
} ; 1.3#PdMR,
)x.%PUA
eM7@!CdA9q
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait =2R4Z8G
59E9K)c3
下面我们来剥离functor中的operator() vX+oZj
首先operator里面的代码全是下面的形式: J%&LQ