一. 什么是Lambda h:{^&d
a
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 "~6IjW*/
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, `_ )5K u}
A9ZK :i7
!'8jy_<9
Z>J3DH
class filler SfUbjs@a
{ @~`:sa+H
public : 0 1:(QJ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} e+Sq&H!@
} ; p%- m"u
)*Rr5l /l
ivJTE
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: VMJK9|JC[
yI. hN
o~ReeZ7)Zg
&f<Ltdw
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); &-p!Lg&D
`l+9g"q
.'=-@W*
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 \Vl)q>K_h
M
nDaag
"rR$2`v"
##/ l
二. 战前分析 SI:Iv:>
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 o5< w2(
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 N3@gvS
dW#?{n-H<
=[IKwmCX
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Q6=>*}Cm6m
/* --------------------------------------------- */ YbP}d&L
vector < int *> vp( 10 ); 8o[+>W
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 9[Xe|5?c
/* --------------------------------------------- */ :[bpMP<bz;
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); drh,=M\F
/* --------------------------------------------- */ zN7Ou .
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); gutf[Ksu
/* --------------------------------------------- */ 'Ad |*~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); %p
tw=Ju
/* --------------------------------------------- */ [G7S
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); XA-,
9DaoMOPEI
hXQo>t-$
7*g'4p-
看了之后,我们可以思考一些问题: K#a_7/!v/
1._1, _2是什么? !-s 6B
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。 uEDvdd#V.
2._1 = 1是在做什么? >(eR0.x
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。 [_zoJ
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。 RbJbVFz8C
W>m#Mz
8t1,_,2'
三. 动工 iS}~e{TP/
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: f^ 6da6Z
0m'tPFQ|
^LAdN8Cbb
;#S4$wISw`
template < typename T > !E9A=u{
class assignment LGPg\g`
{ 1eMaKT_=
T value; 4nGr?%>
public : zH1ChgF=}
assignment( const T & v) : value(v) {} sH\ h{^
template < typename T2 > d6{0[T^L
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } y\}<N6
} ; l#;o^H i
H?)?(t7@
4zx_L8#Z
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 # 3gdT
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment &1ss
@-
DWcEl:
l8By2{pN
-
xQJY)
class holder 9H,Ec,.
{ uU#e54^
public : 0xpE+GY
template < typename T > VMV~K7%0
assignment < T > operator = ( const T & t) const {y==8fCJ
{ z|sR
`]K
return assignment < T > (t); Fn*)!,)
} PZSi}j/
} ; &-4SA j
=\)qUs\z
Rb_+C
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: I)}T4OOc/
Wup%.yT~Ds
static holder _1; h/\/dp/tt
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 >y^zagC*
,v>|Ub,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); mKhlYVn
而不用手动写一个函数对象。 h!~u^Z.7<
&*!) d"
5=9gH
iM{UB=C
四. 问题分析 ~OOD#/
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。 v#Y9O6g]T
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。 r`!S*zK
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 cS#m\O
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 AX2On}&bf
下面我们可以对这几个问题进行分析。 9$e6?<`(Y
* 2s(TW
五. 问题1:一致性 0vi\o`**Mj
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| _33YgO
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 EPL"H:o5%<
(X}Q'm$n\h
struct holder
#dm"!I>g
{ \z)` pno
// ~h6aTN
template < typename T > lO dwH"
T & operator ()( const T & r) const TH#5j.uUs
{ %<Kw
return (T & )r; N.qS;%*o{e
} y/yg-\/XF
} ; {B+{2;Zk
"ba>.h,#'
这样的话assignment也必须相应改动:
Xw{Qktn
%[7<GcWl
template < typename Left, typename Right > YztW1GvI
class assignment c;1Xu1
{ </7_T<He.
Left l; |!?`KO{
Right r; Y"Y+U`Qt
public : C4/p5J
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ?^W`7H F%0
template < typename T2 > \' ;zD-MX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } >)`V$x
} ; ;,F:.<P
pxi/ ]6pw
同时,holder的operator=也需要改动: EHY}gG)
@8s:,Y_
template < typename T > QR]61v:`
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const XH{P@2~l
{ DqTp*hI
return assignment < holder, T > ( * this , t); [d/uy>z,
} E<
Ini'od[
&Eqa y'
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。 $7JWA9#N!
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 @E@5/N6M
j,i>
1|J
return l(rhs) = r;
{]=oOy1
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 b^I(>l-
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: hhynB^o
+_E96`P
template < typename Tp > Mk$Pt
class constant_t %K|+4ZY3
{ ;H:+w\?8f$
const Tp t; >Lrud{
public : wUBug
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} HtbN7V/
template < typename T > <764|q
const Tp & operator ()( const T & r) const Q]oCzSi
{ e#jkp'
return t; p^ojhrr
} '}eA2Q>BV
} ; gm}[`GMU
yQM<(;\O
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Da8{==
下面就可以修改holder的operator=了 FeAMt
=hse2f
template < typename T > $2+(|VG4F
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const skRI\
{ js<}>wD7<
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Msea kF
} G'qGsKf\
cf
~TVa)M
同时也要修改assignment的operator() x9{&rldC
)RE~=*?d
template < typename T2 > o(_~
st<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } zP$Ef7bB
现在代码看起来就很一致了。 T nG=X:+=
yC<[LH
六. 问题2:链式操作 %SSBXWP
现在让我们来看看如何处理链式操作。 8rwXbYx
x
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。 L=9w
3VXS
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。 Kc[Y .CH
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。 'HdOW[3o
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct _YM]U`*
gcNpA?mC|u
template < typename T > >'GQB
struct result_1 7w]NG`7
{ }qhNz0*
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 1FQ_`wF4
} ; auKGm:
+zup+=0e
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: '7Aj0U(
31@m36? X
template < typename T > f/Q7WXl0
struct ref IR<`OA
{ L% cr `<~
typedef T & reference; V;}6C&aP.
} ; KKLW-V\6K
template < typename T > .oR_r1\y
struct ref < T &> `LID*uD;_
{ R?K[O
typedef T & reference; [)&(zJHX
} ; Hlg Q0qb
wK[Xm'QTPJ
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: xf?6_=
Q:4euhz*
template < typename T > qr~=S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const MJ+]\(
{ ,9:0T LLR
return l(t) = r(t); `p.O
} k}o*=s>M
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。 IT~pp_6g
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ~>(
N<:N
8aSH0dX
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 T)QT_ST.9
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: EhBYmc"&
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;.g <u
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 p*^[
~} N
最后的布局是: F;&a=R!.
Add H!+T2<F9R
/ \ w[V71Iej
Divide 5 tbP
;iK'
/ \ [qEd`8V(
_1 3 h5.>};"@'
似乎一切都解决了?不。 %+y92'GqG/
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。 !] -ET7
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。 X+*"FKm S.
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: z&@Vg`w"
w u
template < typename Right > /` j~r;S
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const WF.y"{6>
Right & rt) const {hLS,Me
{ )G">7cg;t
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); \?9{H6<=
} 6UkX?I`>
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 sP+ZE>7
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。 FojsI<
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。 #
[0>wEq
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。 v^;%Fz_Dr
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。 q ["T6
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? ~/B[;#
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: =n}+p>\s
ny. YkN2
template < class Action > !VfP#B6.
class picker : public Action Cy~Pfty
{ Yc*Ex-s
public : _Zq2 <:
picker( const Action & act) : Action(act) {} @sV6g?{tI
// all the operator overloaded 9z:P#=Q:
} ; =[$zR>o*%
*:*Kdt`'G
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。 |Ir&C[QS{y
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: AxOn~fZ!
hu
G]kv3F:
template < typename Right > 1gZW~6a}
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 6IVa(;
{ ;3D[[*n9
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,/qS1W(
} O'G,
Vf'r6Rf
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > : Nf-}"
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。 ?1f(@
<~[A
template < typename T > struct picker_maker lAM"l)Ij
{ 6S~lgH:
typedef picker < constant_t < T > > result; U# jbii6e
} ; "s6O|=^*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 42Gv]X
{ d4h,
+OU
typedef picker < T > result; t&r-;sH^[
} ; zuR F6?un
m),3J4(q
下面总的结构就有了: BAq@ H8*B
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。 $YmD;
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 >q:0w{.TU
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 RK*ZlD<
至此链式操作完美实现。 `;@#yyj:_
<]u~;e57
C>?`1d@
七. 问题3 Qo!/n`19
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 wuv2bd )+
Iaq7<$XU
template < typename T1, typename T2 > k lRS:\dW
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const K'`N(WiL
{ "uz}`G~O
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ZkyH<Aa
} 1w)#BYc=L
N*C"+2
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: kc3dWWPe
PuuO2TZ
template < typename T1, typename T2 > IXmtjRv5
struct result_2 H'L~8>
{ LV:`siK
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; k0=$mmmPY
} ; ?0Qm
)1>fQ9
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? Kh!h_
这个差事就留给了holder自己。 tr]=q9
YlZe
}NQ{S3JW
template < int Order > QT;mCD=OD
class holder; /A U&
X
template <> $6ZO
V/0
class holder < 1 > 6S;-fj
{ f$lf(brQ:
public : X676*;:!.
template < typename T > -`mHb
struct result_1 8?lp:kM
{ 9`/\|t|V
typedef T & result; ^<0azza/(
} ; Lh%>>
Ht{
template < typename T1, typename T2 > }*2q7K2bj
struct result_2 piRP2Lbm*
{ p&nIUx"
typedef T1 & result; g,5r)FU`
} ; qL6Rs
template < typename T > xZ*.@Pkr
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7R 40t3
{ tFvc~zz9
return (T & )r; 1!@KRV
} Zd/ACZ[
template < typename T1, typename T2 > ;NrN#<j(!
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 8+Y+\XZG
{ edt(Zzk@3-
return (T1 & )r1; ,cR=W|6cQm
} 4uW}.7R'
} ; H0Q.; !^
R"S,&
template <> Z|YiYQl[)
class holder < 2 > A9_)}
{ 3Z* '
public : NR8YVO)5$
template < typename T > TSQ/{=r
struct result_1 pPUv8, %
{ HWFI6N
typedef T & result; w6k\po=
} ; lNcXBtwK@#
template < typename T1, typename T2 > 2=3pV!)4}
struct result_2 IK%fX/tDyc
{ f^8,Z+n
typedef T2 & result; QU/Q5k
} ; MtYi8"+<e.
template < typename T > |2 2~.9S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const -kp!.c
{ >&0)d7Nu8m
return (T & )r; uTNmt]
} ;?/v}$Pa
template < typename T1, typename T2 > $7{|
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 0hTv0#j#
{ >&K1+FSmyJ
return (T2 & )r2; x)M=_u2 _
} T{1Z(M+
} ; 6{rH|Z
nRpZ;X)'.
D2$"!7O1H
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> >。 'Ldlo+*|5
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: FF:Y7wXW
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 9kcp(
b?#k
return l(i, j) = r(i, j); S ^?&a5{o
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ,LjB%f[
xP<cF
return ( int & )i; Xg|_
return ( int & )j; s2t'jIB
最后执行i = j; gf`uC0
可见,参数被正确的选择了。 &8R %W"<K
g{&a|NU^
VXforI
B_w;2ZuA
m^dKww
八. 中期总结 )NeI]p
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: VmLV:"P}^
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 AP=mj
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 %;UEyj
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 2.=3:q!H<%
"^j&
^sA+
eWvL(2`T x
bXoj/zek
!br0s(|
?MevPy`H
九. 简化 >W,1s
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。 Ds|/\cI$%a
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 vpOn0([hS
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: )Yvf9dl
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 $ig%YB
+-*/&|^等 .W{\wkn
2. 返回引用。 .d:sQ\k~=
=,各种复合赋值等 Ea@N:t?(8=
3. 返回固定类型。 KDP7u
各种逻辑/比较操作符(返回bool) [\NyBc
4. 原样返回。 /esSM~*H
operator, >#z*gCO5,
5. 返回解引用的类型。 0Y#S2ty
operator*(单目) #87:Or1
6. 返回地址。 *S.R#4w
operator&(单目) uX*H2"A
7. 下表访问返回类型。 %\?2W8Qv_J
operator[] b?-Ep?G'\
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 )>q.!"B
operator<<和operator>> 7_ g}t!b`
8=x{>&Jr
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。 D T^3K5
例如针对第一条,我们实现一个policy类: lgTavs
f/G
YDat
template < typename Left > ;+XiDEX0}
struct value_return "J(#|v0
{ iivuH2/~?[
template < typename T > pX
]K-
struct result_1 }PGl8F !
{ D\8 ~3S'd
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; :(EU\yCzK
} ; x0wy3+GZc
|V{'W-`
|[
template < typename T1, typename T2 > 2ul!f7#E
struct result_2 7-81,ADv(
{ HABMFv
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; (l :;p&[
} ; SesJg~8
} ; n0#HPI"
;wCp j9hir
q:.URl
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait :`6E{yfM
HXF5fs
下面我们来剥离functor中的operator() " FI]l<G&
首先operator里面的代码全是下面的形式: s
}q6@I
AZ cWf8
return l(t) op r(t) T'2(sHk
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 3X,9K23T
return op l(t) H)1< ;{:
return op l(t1, t2) xfw)0S
return l(t) op S2/c2
return l(t1, t2) op |S#)[83*3
return l(t)[r(t)] O G#By6O
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] a?%X9 +1A
lqe;lWC0Z
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: 6&