一. 什么是Lambda 1`]IU_) 1B
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 J%:/<uCmZ
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, zWs*kTtA
.*~u
/cC6qhkp%
YOV4)P"
class filler E97+GJ3
{ h<1dTl*
public : $7&l6~sMQ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 5f'g3'
} ; xY'qm8V
CEuk1$
M:Y*Tb6w
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: )YMlFzYr
NJ)2+
3U"')
Dbdzb m7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); )6:]o&bZ
Lv5X 'yM
aZjef
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 2\63&C^
3zTE4pHzu+
fj-pNl6Gf
2"+x(Ax
二. 战前分析 =ym
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。 4^[}]'w
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 aaz"`,7_
+'['HQ)
|@ZqwC=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 2PR7M.V7
/* --------------------------------------------- */ >mFX^t_,
vector < int *> vp( 10 ); x`+
l#
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); AuDR |;i
/* --------------------------------------------- */ >=~Fo)V!(V
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); xw+<p
/* --------------------------------------------- */ 1Y"35)CR)
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); =Esbeb7P
/* --------------------------------------------- */ nl'J.dJe
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); yMbcFDlBr
/* --------------------------------------------- */ <Hh5u~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); } }f_
m c\ C
2#b<d?"
dT]L-uRZgy
看了之后,我们可以思考一些问题: !jAWNK6
1._1, _2是什么? jj3Pf>D+k
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。 Vo9>o@FlLM
2._1 = 1是在做什么? 'EL ||
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。 "VDk1YX_&l
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。 G&@-R{i
I[=Wmxa?r
nGx ~)T
三. 动工 9eGCBVW:*
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ?UZ$bz
:_^0'ULP
cK|rrwa0
wrQydI
template < typename T > ]M~8@K
class assignment *f `s%&Y]s
{ i0'Xy>l
T value; U+.PuC[3
public : .>kccLr:z
assignment( const T & v) : value(v) {} t}]9VD9
template < typename T2 > XhE$&Ff
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } >G<\1R
} ; Na.
nA
KP=D! l&q
6;
5)/ q
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 n9kd2[s|
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment |7QVMFZ
E 4='m
p*pn@z
Iys6R?~
class holder HZDk
<aU/!
{ { r6]MS#l1
public : O1?B{F/ e
template < typename T > 1 [fo'M
assignment < T > operator = ( const T & t) const FgOUe
{ *MYt:ms
return assignment < T > (t); (|g").L
} >`hSye{
} ; Gva}J6{
?eL='>Ne
UsLh)#}h
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: "JzfL(yt
/&D'V_Q`*
static holder _1; v#<\:|XAg
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 2q"_^deI5*
=MTj4VXh"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); <#xrrRhm}
而不用手动写一个函数对象。 R=\v3m
]`zjRRd
b
A)b`1lI
+"YTCzv;t
四. 问题分析 8?e
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。 |`w$|pm=
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。 09R,'QJ|
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 =cdh'"XN
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 %<aImR]
下面我们可以对这几个问题进行分析。 x1Nme%%&
v[R_S
五. 问题1:一致性 $Hp.{jw
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?| j';n8|Y9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 $42Au2Jg
E7rX1YdR
struct holder o-SRSu
{ C!!mOAhJ
// H9%l?r5
template < typename T > *I:mw8t
T & operator ()( const T & r) const iY0,WT}&n
{ 13ipaz
return (T & )r; 4dW3'"R"L
} @<vF]\Ce
} ; _/|8%])
G$cxDGo
这样的话assignment也必须相应改动: HG3.~ 6X
8W-]t1O%!
template < typename Left, typename Right > 5{')GTdX>
class assignment "w*@R8v
{ shM{Y9~O9&
Left l; b\1+kB/8
Right r; jEZ
"
public : &nQRa?3,
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} +->\79<#V(
template < typename T2 > %z1{Kus
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } z8b
_ _%Br
} ; +``>,O6
d2ohW|
同时,holder的operator=也需要改动: &c20x+
"\`>2
template < typename T > "VV914*z
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const j,}4TDWa
{ Qqp)@uM^
return assignment < holder, T > ( * this , t); PT mf
} > P(eW7RL
:OHSxb>[
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。
q4_**
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 gk"mr_03
D2Y&[zgv
return l(rhs) = r; F
b1EMVu
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。 `Gf{z%/
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: SLSF
<$
GL/ KB
template < typename Tp > /a%*u6z@
class constant_t =Wj{]&`
{ >5c]aNcv
const Tp t; #De(*&y2
public : HH7[tGF
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} -eUV`&[4
template < typename T > NzAQ@E2d:
const Tp & operator ()( const T & r) const Hr8\QgD<4
{ /;DjJpwf0
return t; ^,Xa IP+[
} 60'6/3
} ; L5/mO6;k
#`vVgGZ&
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 7O:"~L
下面就可以修改holder的operator=了 p[u4,
C+`xx('N9
template < typename T > .XIr?>G
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const EVG"._I@
{ 9-b 8`|s
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); R^w}o,/
} M]1;
GN0duV
同时也要修改assignment的operator() N. jA 8X
rrAqI$6
template < typename T2 > +B# qu/By
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } gNTh% e
现在代码看起来就很一致了。 R+s1[Z
=m~ruZ/
六. 问题2:链式操作 )]wuF`
现在让我们来看看如何处理链式操作。 bCzdszvg3
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。 4X*Q6rW
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。 Uh*@BmDA
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。 N^lAG"Jao[
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct t|.Ft<c#
~*,Wj?~+7
template < typename T > ZlrhC= 0
struct result_1 )Xp Vu
{ ;t|,nz4kJ
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; V(r`.75
} ; ]Ym=+lgi
-rO*7HO
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: B_cgWJ*4
@O'I)(To
template < typename T > ]9s\_A9
struct ref Uh}+"h5
{ '<W<B!HP5Z
typedef T & reference; %;tJQ%6-.S
} ; /w0w*nH
template < typename T > \TZ|S,FS
struct ref < T &> $D}"k!H
{ 5~Q Tg
typedef T & reference; /eb-'m
} ; r,0@~;zA
fQO
""qh
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Iqx84
[<Q4U{F
template < typename T > ]=|P<F
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const q=+wI"[
{ zC#%6@P\
return l(t) = r(t); >;7a1+`3
} V,vc_d?,_o
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 _-RyHgX
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 f]]f85
83Uw
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ?^. Pt
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: D?mDG|Z
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 p_r4^p\
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 S}b~_}
最后的布局是: 6uqUiRs()
Add ']h
IfOD"r
/ \ sjn:O'
Divide 5 a5 bPEJ=I
/ \ 'B,KFA<
_1 3 ($'V&x8T
似乎一切都解决了?不。 .lr5!Stb
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。 #"<?_fao~
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。 =W<[Fe3
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: tH,sql)
B$j' /e-Zk
template < typename Right > h;nQxmJ9
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ^N{k6>;
Right & rt) const ,\x$q'
{ tpZ->)1
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Wj tft%
} 4kh8W~i;/
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 =+\$e1Mb*
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。 O+b6lg)q
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。 AOAO8%|I
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。 j_V/GnEQ
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。 kP?_kMOx
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? qlvwK&W<QM
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: TL@mM
^e%k~B^
template < class Action > Fpf><Rn
class picker : public Action G A EZY
{ 7"a4/e;^
public : #Wk5E2t
picker( const Action & act) : Action(act) {} z37Z%^
// all the operator overloaded -;/
Y
} ; \%4|t,en
h$/JGm5uDb
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。 H?{MRe
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: 8)?_{
(l_:XG)7~b
template < typename Right > NNp}|a9
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const m1V- %kUI
{ $
9 =8@
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d"GDZ[6
} JqSr[q
0
u2Ny&6w
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 9(OAKUQ
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。 ju.OW`GM
Eu4 &-i
template < typename T > struct picker_maker Q.E_:=*H
{ EBwK 7c
typedef picker < constant_t < T > > result; In+^V([u+_
} ; cm,4&x6
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > &mdB\Y?^
{ =x#&\ui
typedef picker < T > result; I^:F)a:
} ; bRsc-Fz6
;W~4L+e
下面总的结构就有了: }^9paU
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。 I&\4C.\>
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。 AK;^9b-}q:
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ^/<|f,2
至此链式操作完美实现。 )#PtV~64
=y<0UU
Gnv!]c&S>l
七. 问题3 Ro~fvL~Ps
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。 10O3Z9
\HD-vINV;
template < typename T1, typename T2 > $P;UoqG<&
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 8W$L:{ez
{ H `5Ct
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); x=vK
EyS@
} l=NAq_?N\
!t%Q{`p
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: qK,V$l(4#
1!1DuQ
template < typename T1, typename T2 > wHWma)}-z
struct result_2 tUv3jq)n%
{ 2`E!| X
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Ck@M<(x
} ; ^9=4iXd
om>VQ3
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Ko+al {2
这个差事就留给了holder自己。 Q0WY$w1<
x G ^f
zQ<88E&&Xs
template < int Order > 2NYi-@mr
class holder; "qE {a>d
template <> 3(o7co-f
class holder < 1 > fB7ljg
{ <5k&)EoT
public : F^miq^K=
template < typename T > DyIV/
struct result_1 -!~vA+jw1
{ kF?S 2(vH
typedef T & result; b|6 !EGh
} ; SBz/VQ
template < typename T1, typename T2 > >>j+LRf*
struct result_2 #4N >d~
{ p {?}g'
typedef T1 & result; (V)9s\Le_
} ; 7IQqN&J
template < typename T > +dM.-wW
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const mtIMW9
{ {6:&
%V
return (T & )r; 3;A$<s
} nd;O(s;
template < typename T1, typename T2 > 8m|x#*5fQl
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const *W%'Di
{ &urb!tQ>&
return (T1 & )r1; 7PA=)a\
} "*t6t4/Q
} ; Q K j1yG0i
$bFgsy*N2
template <> s&0*'^'O[S
class holder < 2 > j3LNnZY
{ 0R*}QXph
public : I:HV6_/^-G
template < typename T > jzQ I>u
struct result_1 z1FL8=
{ "h$D7 mL
typedef T & result; 7BS/T
} ; ,[^o9u uB
template < typename T1, typename T2 > Lg b
struct result_2 jOtzx"/)rE
{ N" ; ^S
typedef T2 & result; R@&?i=gk
} ; }-dF+m:
template < typename T > v|>BDN@,6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const tpE3|5dZF
{ =uS8>.Qj
return (T & )r; TtZrttCE6
} `!_? uT
template < typename T1, typename T2 > N4s$.`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const a0 qj[+
{ /CbkqNV
return (T2 & )r2; r&=r/k2
} WFXx70n
} ; ${e -ffyy
ijg,'a~3E
IN>TsTo
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 vRxL&8`&
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: a9L0f BRy
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 0oQ/J:
>|(WS.n 3C
return l(i, j) = r(i, j); {8_:4`YZ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) S~}$Ly@
fq{I$syY
return ( int & )i; 2AmR(vVa"
return ( int & )j; =w t-YM
最后执行i = j; |O2|`"7
可见,参数被正确的选择了。 1/!nV
Qve`k<Cj"
K:C+/O
b\H/-7<
/oB K&r[(
八. 中期总结 H_v/}DEG
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: e_\SSH@tw
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 N%:D8\ qx
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @i;L Za
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 2~+'vi
MuN[U17FB
H#_}^cGPR=
G6f%/m`
j^:b-:F
A-}PpH~.Z
九. 简化 +ESX.Vel
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 !:&2+%
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 S`iM.;|`O
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ]rKH|i
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 CdE2w?1
+-*/&|^等 [sjrb?Xd
2. 返回引用。 oVAOGHE
=,各种复合赋值等 A7mMgb_
3. 返回固定类型。 H;4oZ[g
各种逻辑/比较操作符(返回bool) uV/)Gb*j
4. 原样返回。 }6F_2S3c
operator, NWaI[P
5. 返回解引用的类型。 }kpfJLjY
operator*(单目) jp"XS
6. 返回地址。 X+fuhcn
operator&(单目) K%o6hBlk_
7. 下表访问返回类型。 T
"ZQPLg
operator[] @DRfNJ}
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 \3,$YlG
operator<<和operator>> m/SJ4op$
8.6no
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。 Aigcq38
例如针对第一条,我们实现一个policy类: \>&@lA
V7qCbd^>XJ
template < typename Left > 1v+JCOy
struct value_return qQ3]E][/
{ g9RzzE!
template < typename T > Djg1Qh
struct result_1 RI7qsm6RN
{ r! cNc
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; vy>];!Cu
} ; +ytT)S
3uB=L7.
template < typename T1, typename T2 > ^d5gz0d
struct result_2 vY8WqG]
{ ^'
edE5
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; T9&,v<f
} ; zzDNWPzsA
} ; e)fJd*P
A?%XO
%
TW;|G'}$
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait `Pz!SJ|
5pN08+
下面我们来剥离functor中的operator() Off: ~
首先operator里面的代码全是下面的形式: E1mI Xd;.
BZnp
#}f
return l(t) op r(t) N>uZ t2
return l(t1, t2) op r(t1, t2) b7F3]W<`&