一. 什么是Lambda lnovykR
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 `r5$LaD
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, Eh-n
9_\'LJ
AC
O)Dt(Y
ze_{=Cv&Y
class filler ,D\GGRw
{ ve
~05mg
public : ]
2DH;
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} mcz+P |
} ; HL/bS/KX
WwC 5!kZ
+\li*G]:J
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: \BWykA>
<<D$+@wxm
h8\
T
yCJ Fo
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); v7%X@j]ji
k OvDl!^
$?,a[79
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 V{|}}b?w?
Rwr 2gMt7
}SI GPVM
*. 3N=EO
二. 战前分析 ?ER-25S
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 g}p;\o
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 >5R<;#8
[^8n0{JiN
BmHwu{n'
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); r>jC_7
/* --------------------------------------------- */ zEZLKWm9-
vector < int *> vp( 10 ); y9#$O(G
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); iHf-{[[Z
/* --------------------------------------------- */ }F+zs*S
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); xEuN
/* --------------------------------------------- */ x8;`i$
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 9N%JP+<89
/* --------------------------------------------- */ !v]b(z`Y
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ExHKw~y9
/* --------------------------------------------- */ /ywD{*
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 9WJz~SP+vR
zI~owK)%Z
RE.r4uOJg
56l@a{
看了之后,我们可以思考一些问题: H3{GmV8
1._1, _2是什么? FgL,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。 e!fqXVEVR
2._1 = 1是在做什么? DF6c|
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。 UD~p'^.m_
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。 6Es?
MW=
p!Eft/A(
|*RYq2y
三. 动工 kY]W
Qu
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: jL)WPq!m+
Og;-B0,A
O4<g%.HC6
iqnJ~g
template < typename T > 2iu_pjj
class assignment ,]}?.g
{ M4ozTp<$O
T value; lyCW=nc
public : pf4 ^Bk}e
assignment( const T & v) : value(v) {} {{C`mgC
template < typename T2 > 7VK}Dy/Vvn
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } bslrqUk_`=
} ; k`".
"uLjIIl
C0=9K@FCb
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 C@N1ljXJT
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment #S%Q*k<hw
Y-ux7F{=z
6.t',LTB
PL{Q!QJK'
class holder iVB^,KQ@
{ W&h[p_0
public : D71;&G]0
template < typename T > 7=@jARW&
assignment < T > operator = ( const T & t) const `P Xz
{ ~}Z\:#U
return assignment < T > (t); *M7E#bQ5B
} p8wyEHB
} ; FZB~|3eq{
W"L&fV+3
4YZS"K'E
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上:
7\o!HMfK
T+LJ*I4
static holder _1; \qi|Js*{
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 VC5_v62&.
8#R?]Uwq
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); eUS
而不用手动写一个函数对象。 dQezd-y*
=Nz0.:
h5
Vv:C
>k']T/%
四. 问题分析 +@X5!S6
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 vUC!fIG
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 9Qj2W
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 u%2<\:~j
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 mq /zTm
下面我们可以对这几个问题进行分析。 y0v]N
o6"*4P|
五. 问题1:一致性 -6Tk<W
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| lA>\Ko
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Dj-s5pAW
i5hD#
struct holder 3E} An%
{ 9?+9UlJ7K
// QzGV.Mt2
template < typename T > NGjdG=,
T & operator ()( const T & r) const Bz8 &R|~>"
{ JU0]Wq <^[
return (T & )r; T+"f]v
} 8YY|;\F)J~
} ; :lcea6iO
(.K\Jg'Y6j
这样的话assignment也必须相应改动: (k-YI{D3
~#Md"3
template < typename Left, typename Right > &UAe!{E0
class assignment vnX
{ h
-_&MD/J
Left l; 9-h.|T2il
Right r; Y5A~E#zw
public : .R44$F
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} fF?6j
template < typename T2 > Ru%|}sfd
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } "5DJu~
} ; 4h
5_M8I
_|c&@M
同时,holder的operator=也需要改动: {sN"(H4$
lHBI
template < typename T > \Z5+$Ij
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const sB}]yw
{ ka7uK][
return assignment < holder, T > ( * this , t); u7]<=*V]
} #*IVlchA"B
,^T]UHRO
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Q/_#k/R
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 N}/>r D
pD`/_-=^h
return l(rhs) = r; euRss#;
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 kM*T$JqN
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 10N,?a
"h$R ]~eG
template < typename Tp > UKB_Yy^Y
class constant_t &/F_*=VE
{ E1q%gi4 Q%
const Tp t; Z}Cqd?_')
public : 744=3v
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 2RNrIU I2
template < typename T > IlZu~B9c
const Tp & operator ()( const T & r) const nsJ:Osq|
{ f'/ KMe%<
return t; AqYxWk3>
} tW6#e(^l6
} ; ~
l )t|'6
'"O&J}s;
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 XI}I.M
下面就可以修改holder的operator=了 0<P(M: a
Lo3-X
template < typename T > 8]*Q79
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const O k(47nC
{ 3ut_Bt\
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); PZ]5Hf1"
} t[O+B6
LD.Ck6@
同时也要修改assignment的operator() V9jFjc?
&+;uZ-x
template < typename T2 > h;Mu[`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Y^eX@dEFR
现在代码看起来就很一致了。 Q]i[.ME
BR3mAF
六. 问题2:链式操作 kkfCAM
现在让我们来看看如何处理链式操作。 NhlJ3/J j
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 pI^=B-7
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 hmzair3X
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Qx.jCy@
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct -- S"w@
Qv !rUiXq
template < typename T > NKh,z&
_5-
struct result_1 Q<'@V@H
{ !u0U5>ccw
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 3;D?|E]1
} ; r%[1$mTOR
N[ Q#R~Hn<
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: <j"O%y.
onh?/3l
template < typename T > g^n;IE$B
struct ref @ V5S4E
{ 3:O+GQ*
typedef T & reference; yTj p-
} ; 8!6<p[_
template < typename T > scmto cm
struct ref < T &> hLn&5jYHvt
{ 5F03y`@ u
typedef T & reference; )+k[uokj
} ; o@@_J@}#
5~-}}F
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: jqqaw
X@eg<]'m
template < typename T > !xJFr6G~8
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const >+f'!*%7He
{ gpsrw>nw
return l(t) = r(t); &}O8w77
} 2}|vWKej{
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 iUpSN0XkMM
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 X`tOO
i63?"
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ;]"n?uo
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ?^ eJ:
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 @u<0_r
t
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 +:b(%|
最后的布局是: I(y`)$}
Add &F9OZMK=
/ \ {MA@A5
Divide 5 (c
1u{
/ \
]&/0
_1 3 J1& A,Gb
似乎一切都解决了?不。 Y9/{0TArG
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。 #fJwC7 4
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。 MQjG<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: nJW_a&'
T R+Q4Y:
template < typename Right > % d4+Ctrp-
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 55(J&q
Right & rt) const tc!!W9{69
{ 1+VY><=n
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); [`cdlx?Eh
} aGdpecv
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 MP_A<F
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。 C8!8u?k
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。 Q>##hG:m
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。 p3{x <AO/
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。 @G7w(>_T3
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? ^n6)YX
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: 4o)(d=q
j\%?<2dj=
template < class Action > ab8oMi`z
class picker : public Action 0EcC
{ u4`mQ6
public : myEGibhK
picker( const Action & act) : Action(act) {} Fc34Y0_A
// all the operator overloaded {d&X/tT
} ; \ 9[NH/.Z{
|)
x'
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。 s
ZlJ/_g
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: =$&7IQ?
r\4*\
template < typename Right > 6M
O|s1zk
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ^.ZSpc}<
{ U)O?|
VN^o
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 0BbiQXU
} 6\NX
5Gh
34/]m/2NZK
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ;:#?~%7>
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 .(TQ5/
~
X|lElN
template < typename T > struct picker_maker yv6Zo0s<J
{ z'vdC
typedef picker < constant_t < T > > result; Wto@u4
} ; ,(;p(#F>
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > i?1js ! 8
{ k;"R y8[k
typedef picker < T > result; kR`6s
} ; !0>!tW
lOWB^uS%
下面总的结构就有了: &;r'{$
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。 CP F>^Mp#
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。 i/C
-{+}U
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 X\c1q4oB[
至此链式操作完美实现。 K4h-4Qbn
Y:tW]
:>AW@SoTp
七. 问题3 %~~z9 6(
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。 h;4y=UU
Q%X:5G?
template < typename T1, typename T2 > &F<J#cfe8
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const <ZHY3
{ .dg 4gr\D
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); mCC:}n"#
} ecSdU>
A/Fs?m{7U
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: k
vue@
FJn~
=hA
template < typename T1, typename T2 > /q*Qx )y+1
struct result_2 Y7b,td1
{ F=*BvI"+
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; i SAidK,
} ; P&-D0T_
W=;(t
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? NXWIE4T>*^
这个差事就留给了holder自己。 v4,syd*3|V
)=,9`+Zta
*'`3]!A
template < int Order > 3
4A&LBwC
class holder; Rrs`h `'-
template <> +*:x#$phx
class holder < 1 > !7,K9/"
{ L[QI 5N
public : 2'O!~8U
template < typename T > 9rf|r
3
struct result_1 l;][Q]Z@V
{ 3' :[i2[
typedef T & result; MSYLkQ}_b
} ; v&CO#vK5.
template < typename T1, typename T2 > f-f\}G&G
struct result_2 jQK2<-HZ3
{ NkjQyMF
typedef T1 & result; &:cTo(C'
} ; ;hfG${l;
template < typename T > fB @pwmu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const [}xIg8
{ 4~pO>6P
return (T & )r; w4<u@L
} ezq
q@t9
template < typename T1, typename T2 > Bc9|rl V,
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const UNZVu~WnF
{ ]K0,nj*\c
return (T1 & )r1; s$nfY.C
} m(7_ZiL=
} ; Q&U= jX
\<MTY:
template <> +IOKE\,Y
class holder < 2 > ywsz"/=@
{ ['N#aDh.?
public : XGrxzO|{
template < typename T > {*=5qV}
struct result_1 Zs K'</7
{ V\7u
typedef T & result; bl=*3qB
} ; t;a}p_>
template < typename T1, typename T2 > zKAyfn.A
struct result_2 <812V8<!
{ B8#f^}8
typedef T2 & result; ])ZJ1QL1
} ; 4#Nd;gM2
template < typename T > UNH}*]u4`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const pcxl2I
{ r'JK$9
return (T & )r; f.xSr!
} W,oV$ s^
template < typename T1, typename T2 > 1MzB?[gx
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const LF,c-Cv!jL
{ Z(`K6`KM
return (T2 & )r2; 1nM?>j%k
} "@'9+$i6
} ; GH)+yD[o
"@<g'T0
1XKIK(l
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> >。 nv|y@!(
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 5<ya;iK
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 6 VJj(9%
BOcEL%+
return l(i, j) = r(i, j); AE@Rn(1.
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Ita!07
L$07u{Q
return ( int & )i; XXdMp poR
return ( int & )j; Tf]VcEF
最后执行i = j; B!C32~[
可见,参数被正确的选择了。 v?' k)B
sy#j+gZ
KE1@z]
'`VO@a
FQ&VM6_
八. 中期总结 Yy;1N{dbT
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: x~,?Zj)n?C
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 x-k/rZ
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 %[F;TZt
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor !LSWg:Ev+
:<G+)hIK
*wl_8Sis}
<^$b1<@
9CSz<[
"tbBbEj?d
九. 简化 ?O]gFn
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。 &%51jM<
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 6h"?3w
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: ,=yIfbFQ
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 8#3cmpx4
+-*/&|^等 6EGEwx
2. 返回引用。 h.%Qn vL
=,各种复合赋值等 c=mFYsSv
3. 返回固定类型。 D#(L@{vC
各种逻辑/比较操作符(返回bool) h v+i{Z9!]
4. 原样返回。 Gs?sO?j
operator, C'"6@-~
5. 返回解引用的类型。 J8[Xl.
operator*(单目) Z.19v>-c
6. 返回地址。 4ov~y1Da)
operator&(单目) N1+]3kt ~
7. 下表访问返回类型。 wn.0U
operator[] pfIvBU?
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 4}b:..Ku
operator<<和operator>> <AXYqH7%A
.h }D%Qa
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。 }6(:OB?
例如针对第一条,我们实现一个policy类: TMs\#
hYx^D>}]
template < typename Left > T{Q&