一. 什么是Lambda "2/VDB4!FG
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 UUql"$q
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, #^/&fdK~A
Fx*IeIs(:~
mCpoaGV_
lO|H:7
class filler Q ?W6
{ |7T!rnr
public : /9yA.W;
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ;c>Rjg&[
} ; 'uOp?g' 7
Ie;}k;?-
\E<)B#
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: My'6yQL
4a~9?}V:
l:kF0tj"
0ID
8L
[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ]pA}h.R#-
<<![3&p#
?G-a:'1!6
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 7,"1%^tU
xF{<-b
- r82'3]
~#~Kxh
二. 战前分析 l>9ZAI\^
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 m;LeaD}0
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 HPj7i;?O
bsmnh_YRj
Om2
)$(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); o' DXd[y
/* --------------------------------------------- */ W,>;`>
vector < int *> vp( 10 ); (5N&bh`E
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %lPFq-
/* --------------------------------------------- */ yz2NB?)
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); g<{W\VOPm
/* --------------------------------------------- */ 8YBsYKC
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); m[u
6<C
/* --------------------------------------------- */
S,v9\wN.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); NC2PW+(
/* --------------------------------------------- */ *%cI,}%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Pz +8u&~p
I|$_[Sw
2S8/
lsB
nmN6RGx
看了之后,我们可以思考一些问题: 'bg%9}
1._1, _2是什么? 9W7H",wR
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 GRj{*zs
2._1 = 1是在做什么? gGdZ}9
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 S*CRVs
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 G";yqG
G\IH
b
|
W"WvkW>-
三. 动工 HWGlC <
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类:
n/UyMO3=
.|{*.YE
g;bkVq
}qXi;u))
template < typename T > *-Y|qS%
class assignment BZx#@356N
{ y?aOk-TaRA
T value; v1zJr6ra9
public : (85F1"Jp
assignment( const T & v) : value(v) {} J74nAC%J^
template < typename T2 > crC];LMl/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 4Kt?; y
;
} ; '89D62\89
`&>!a
YrgwR
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 O`mW,
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment KFC zf_P!
Ty]CdyL$
5NeEDY2%#
t L;;Yt
class holder 7IZ(3B<87t
{ q^dI!93n|
public : nS'0i&<{1
template < typename T > w];t ]q|
assignment < T > operator = ( const T & t) const }
ho8d+A
{ *RM#F!A
return assignment < T > (t); K |Yr
} m&|?mTo>m
} ; Q.6pmaXrb
ZT_ EpT=1
M6|Q~8$
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: c6dL
S
/tP"r}l
static holder _1; !OWV* v2
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 4y21v|(9
vC J
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); OBN]bvCJ
而不用手动写一个函数对象。 n2Ycq&O
h.~S^uKi*
F K={%
S)$ES6]9/
四. 问题分析 kS?!"zk>
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。 Pd^ilRB
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。 $+[HJ{
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 )n|:9hc
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 HcQ{ok9u
下面我们可以对这几个问题进行分析。 HPwmi[
8u;l<^<
五. 问题1:一致性 rmR7^Ycv/
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| +69sG9BA
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 4 "wuqr|o
8<?60sj
struct holder 0Km{fZYq7;
{ Q} f=Ye(&}
// kfA%%A
template < typename T > N9:xtrJ]_J
T & operator ()( const T & r) const 'ei9* 4y
{ UTmX"Li
return (T & )r; nKkI
} u&
:-&gva
} ; Y@^MU->+
MF]s(7U4`
这样的话assignment也必须相应改动: > -Jd@7-
PGu6hV{
template < typename Left, typename Right > =}U`q3k
class assignment Alp9]
0(
{ K}! VY`
Left l; \nPa>2r
Right r; OYNs1yB
public : -Vt*(L
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} eSywWSdf0
template < typename T2 > .azdAq'r&\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } nvsuF)%9hZ
} ; {o5E#<)
i v&:X3iB
同时,holder的operator=也需要改动: Gv6EJV1i
],&WA?>G
template < typename T > hq$:62NYg
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const vQ26U(7\>
{ qeSxE`E"
return assignment < holder, T > ( * this , t); I`E9]b(w
} >K;p+( <6
8KT|ixs
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。 SAc}5.
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 m_Z%[@L
oC.:mI
return l(rhs) = r; &d 9tR\}
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。 p^7ZFUP
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: _~=X/I R
,S}[48$
template < typename Tp > # TC
x8]F
class constant_t do7 [Nj
{ #U(dleT8
const Tp t; 6
}qNH29
public : [L]
ca*
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} C-m
OtI
template < typename T > 6#KRI%adw`
const Tp & operator ()( const T & r) const 2\lUaC#E
{ RBJgQ<j8
return t; XNf%vC>
} k P>G4$e_v
} ; X@5!I+u\L
oAA%pZ@
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 dBX%/
下面就可以修改holder的operator=了 w,;CrW T2t
d9sl(;r
template < typename T > DU4NPys]y
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ,cYU
{ <IGnWAWn
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); /Rb`^n#
} DL_2%&k/
2Do^N5y
同时也要修改assignment的operator() uf^"Y3
8BhLO.(<O
template < typename T2 > ;Q:^|Fw!F
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Wb68" )$
现在代码看起来就很一致了。 }.$oZo9J
uK="#1z cC
六. 问题2:链式操作 +kd88Fx
现在让我们来看看如何处理链式操作。 }aRV)F
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 959&I0=g"
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 J}hi)k
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 G5 Y 8]N
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct r,A750P^
="P3TP
template < typename T > e 9U\48
struct result_1 cx&jnF#$
{ Gyw@+(l
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; T""X~+{Z@
} ; 5 b( [1*
q<>LK
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: 6K5KZZG
[kMXr'TyPX
template < typename T > c1'OIK C
struct ref 89Svx5S
{ k
9R_27F
typedef T & reference; S92'\2
} ; E#URTt:&>
template < typename T > :\NqGS=<
struct ref < T &> (?72 vCc
{ M6jP>fbV*
typedef T & reference; sT?Qlj'Zd
} ; sf2_x>U1
uB>NwCL;
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: P)XkqOGpT9
x;#
OM
template < typename T > &%ej=O
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const xV:.)Dq9
{ VTa?y
return l(t) = r(t); 403%~
} P>z 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。 yYkk0 3
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 vHZw{'5y
K8$Hg:Ky-/
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 @sO*O4os>
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: KwlN
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ]0GOSh
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 6+_)(+c
最后的布局是: U\&kT/6vh
Add L~cswG'K
/ \ 2fT't"gw
Divide 5 2^Tj7@
/ \ &n|#jo(gS
_1 3 h6c8hp.
似乎一切都解决了?不。 7]_UZ)u
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 Sd2R$r
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。 +*WE<4"!6
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: HWxk>F0
Ka1
F7b
template < typename Right > C0[Rf.*
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const HU-4k/I~
Right & rt) const @#c(4}^ <w
{ f#pT6
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); w;vp X>
}
Ash"D~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 r*C:)z.}
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。 B!K{y>|.
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。 N#Bg`:!
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。 )#l &F$
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。 hun
LV8z
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? a5{CkM&,(
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: yb1A(~
[3>l^Q|#
template < class Action > *,-)4)7d
class picker : public Action *r!1K!c
{ %;(+s7
public : W@GcE;#-
picker( const Action & act) : Action(act) {} N+rLbK*
// all the operator overloaded ^2[0cne
} ; f(=yC}si
W78Z<Vm
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。 u|<Z};a
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: Ih!UL:Ckh
[&k[k)
template < typename Right > 7
a !b}
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const l"p%]\tZ
{ &STgj|t_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); B<
P H7
} 2/RK
pl &
L,of@>
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > <~!7? ak
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。 -q[T0^eS
Ne,7[k
template < typename T > struct picker_maker i)Vqvb0Q
{ t(VG#}
typedef picker < constant_t < T > > result; #dE#w#=r
} ; N6=cqUM wt
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > m{`O.6# O
{ 9-eYCg7C|
typedef picker < T > result; lSC3m=4g
} ; r.**
z j
fu}NH\{
下面总的结构就有了: C(b"0>
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。 g2^7PtJg
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。 f/H rO6~k%
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?`_US7.@
至此链式操作完美实现。 + _rjA_
@y[Zr6\z
Yr-a8aSTE5
七. 问题3 -`n>q^A7e
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。 quN7'5ZC[
.21%~"dxJ
template < typename T1, typename T2 > p<?~~7V
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4,tMaQ
{ d%Jl9!u
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); PwQW5,,h0
} q<o*rcwf^
"
E72j.
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: I:U /%cr,
xcnHj1r-o'
template < typename T1, typename T2 > H[@uE*W
struct result_2 TyD*m$`y
{ 8jd<|nYnfc
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ~0w7E0DE[
} ; J5)e 7
,w; ~R4x
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? VQU [5C
这个差事就留给了holder自己。 9"52b9U
LO[1xE9
qe4hNFq
template < int Order > JiEcPii
class holder; lAJ)
template <> ^ 'FC.
class holder < 1 > Zq~2 BeB
{ ~fI&F|
public : s0H_Y'
template < typename T > ~QFD ^SoK
struct result_1 C$){H"#
{ JaKR#Y$+~
typedef T & result; bYQ h{q
} ; .3?'+KZ,
template < typename T1, typename T2 > /%po@Pm#I
struct result_2 Wy@Z)z?
{ ^c83_93)R
typedef T1 & result; bxyEn'vNvQ
} ; tPP nW
template < typename T > @g9j+DcU
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 2`+ ?s
{ ZLyJ
return (T & )r; KSIH1E
} nT` NfN
template < typename T1, typename T2 > I{<6GIU+
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const kQC>8"
{ B}X
C
return (T1 & )r1; N?Mmv|
} kuu9'Sqc'b
} ; 7loCb4Hv
BnvUPDT&
template <> VD/Wl2DK
class holder < 2 > 96]lI3c
{ }r]WB)_w
public : r/HKxXT
template < typename T > s#`%c({U|
struct result_1 SW(7!`
{ {.bLh0
typedef T & result; aQCbRS6
} ; _t6siB_u
template < typename T1, typename T2 > YP>VC(f
struct result_2 &YO5N4X~o
{ !s.G$ JS<
typedef T2 & result; jPPaL]
} ; |(}uagfrd
template < typename T > *0{MAm
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const po*s
{ -Hh$3Uv
return (T & )r; UYW%%5p?
} v!t*Ng
template < typename T1, typename T2 > |o~FKy1'z\
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const e~$MIHBY]
{ $^I uE0.
return (T2 & )r2; H|0B*i@81
} <E$P
} ; idGkX
?
&_,^OE}K_:
rr3NY$W
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 j_&/^-;e
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 4S 2I]d
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 7$x@;%xd
-2v|d]3qG
return l(i, j) = r(i, j); ^wb -s
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) dS0G+3J&+E
\>cZ=
return ( int & )i; 9XT6Gf56
return ( int & )j; `>?\MWyu
最后执行i = j;
.}ohnnJB0
可见,参数被正确的选择了。 :KgLjhj|)
zVxiCyU
[H0jDbN
tFwQ /
vH#
US
八. 中期总结 "M7ry9dDH
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: Lr)h>j6\
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义
L]9!-E
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 m4E 6L
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor s[nOB0
1:My8
cIl^5eE^Pq
`!qWHm6I*
?-#w [J'6
RduA0@g0
九. 简化 (d^pYPr{
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。 ~S|Vd
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 CEYHD ?9k8
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: m %ET!+
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 &lBfW$PZjk
+-*/&|^等 /Ia=/Jj7N
2. 返回引用。 ~l CG37
=,各种复合赋值等 v6s8 p
3. 返回固定类型。 Zx}=c4I(y
各种逻辑/比较操作符(返回bool) =!U{vT
4. 原样返回。 V QPq+78
operator, w#Nn(!VR
5. 返回解引用的类型。 ~Ufcy{x#
operator*(单目) &_" 3~:N8k
6. 返回地址。 &HFMF)NA
operator&(单目) #%k5s?cP@
7. 下表访问返回类型。 t=XiSj\n
operator[] l3-KswU
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Fj 1/B0acS
operator<<和operator>> '(2G qX!
|+!Jr_ By
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。 4DuZF
-y
例如针对第一条,我们实现一个policy类: tjDVU7um
ed{z^!w4
template < typename Left > }5Y.N7F
struct value_return &`@,mUi{Ac
{ 1(q!.lPc
template < typename T > H1\~T
struct result_1 > %#J8
{ Zs+6Zd4f
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; (d#?\
} ; Esw&ScBOP