一. 什么是Lambda L:i-BI`J
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 D"a~#^
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, =fO5cA6Z
Yj6*NZ*
njWL U!
0Nnsjh
class filler 1q,{0s_kp
{ 23DiW#o'
public : OUhqMVX9C
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Kq;8=xP[
} ; _Nqt21sL
/K.!sQ$
"-+\R}q$
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: 4#:W.]U8
;{U@qQD7
]3X@_NYj
oyYR-4m\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ~2gG(1%At9
%3ICI
1f":HnLRM
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 3ZXQoC '
hMykf4
v#U"pn|M
7G/1VeVjB
二. 战前分析 |bO"_U
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。 QmCe>+
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 \uaJ@{Vug
yrC7F`.
v~@pMA$(h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); V{:A3C41
/* --------------------------------------------- */ USM4r!x
vector < int *> vp( 10 ); d~1gMz+)
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); mqSQL}vR
/* --------------------------------------------- */ ^h"`}[+
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ?'KL11@R
/* --------------------------------------------- */ ]Ccg`AR{
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 4UW_Do
/* --------------------------------------------- */ #0y)U;dA+w
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); \cUC9/
b
/* --------------------------------------------- */ VB,?Mo}R
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 4}eepJOn
qa0 yg8,<
id2j7|$,
F7O(Cy"1
看了之后,我们可以思考一些问题: fR*q?,
1._1, _2是什么? 0a-0Y&lQm
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。 y"H*%]
2._1 = 1是在做什么? /Z@tv.f
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。 UHTvCc
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。 fngOeLVG
5a hVeY
4<lRPsvgc
三. 动工 l@\#Ywz
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: hKT
YTexv;VNb|
\l]DQaOEe
4DL) rkO
template < typename T > Cc%LztP>
class assignment rU2%dkTa
{ K"4>DaK2P
T value; ck.w
5|$
public : \v.C]{Gzc
assignment( const T & v) : value(v) {} o1h={ao
template < typename T2 > Te<}*qvD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } OslL~<
} ; JU^lyi!
]Zyur`
dAkgR~
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 T`;%TO*Y
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 8(~K~q[Cr
%\H|B0
`m!j$,c.
_U
|>b>
class holder CkdP #}f
{ ^7 &5
z&o
public : PGLplXb#[S
template < typename T > ~s]iy9i
assignment < T > operator = ( const T & t) const d+Ek%_
{ T^~5n6
return assignment < T > (t); JAQb{KefdO
} @M5#S7q";
} ; 9+{G8$Ai
JSTuXW
O"c;|zCc>
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: y6[If cN
"F.;Dv9V[0
static holder _1; .R./0Ot tx
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 OG~6L4"
<F`>,Pm
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); G}:lzOlMH
而不用手动写一个函数对象。 m6[0Kws&
s1h/}
[N#,K02mk
D-4f >
四. 问题分析 7zSLAHW
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。 NT+?#0I
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。 Z^IPZF
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 #>mr[
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 lJis~JLd`
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ;[u%_
obNqsyc77R
五. 问题1:一致性 jkt_5+S
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?| 2L} SJUk*
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 L&%s[
!VI]oRgP
struct holder DIzH`|Y
{ -U/c\-~fU
// tjluk
template < typename T > +(1zH-^.
T & operator ()( const T & r) const )XzI
#iQ
{ X .5aMm
return (T & )r; HP3lz,d
} w6W}"Uw
} ; /|eA9 ]
(KF=On;=Y
这样的话assignment也必须相应改动: */|9= $54
I|
b2acW
template < typename Left, typename Right > #~l(]h@
)
class assignment pt?q#EfFJ
{ kAC&S!n
Left l; 7|[mz> "d
Right r; vDxe/x%
public : B9H@e#[
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 8W#heW\-]
template < typename T2 > "t_-f7fS7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } d
BJJZ^(
} ; A?t%e
x*nSHb
同时,holder的operator=也需要改动: ,}))u0q+:
5yiK+-iTs
template < typename T > OSf}Q=BL
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Y~(Md@!0S
{ <c,u3cp
return assignment < holder, T > ( * this , t); DFd%9*N
} NF0%}II&xK
o)2W`i &
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。 \DD0s8
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 thvYL.U:
{'2@(^3
return l(rhs) = r; tGl;@V@Qj
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。 3
"Q=Vl"
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: iIq)~e/ Z
vc+A RgvH+
template < typename Tp > fI~Xmw+}}
class constant_t Ts ^"xlK
{ qh2ON>e;
const Tp t; \u>"s
public : :E@3Vl#U
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Bxfc}vC.
template < typename T > %ve:hym*
const Tp & operator ()( const T & r) const $W9{P;
{ $[/&74#0HX
return t; !/3B3cG
} !cAyTl(_
} ; \&i P`v`K
`P8Vh+7u
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 B&.FOO
下面就可以修改holder的operator=了 u(wGl_
846$x$G4
template < typename T > y?a
Acn$
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Ie`13 L2
{ J<dVTxK12
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); -:Ia^{YN
} '=G|Sq^aO
f/Hm{<BY
同时也要修改assignment的operator() 0;:.B
j
sh`s/JRf
template < typename T2 > cnFI
&,FM
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } \e'R@
现在代码看起来就很一致了。 "gne_Ye.
g)_e]&
六. 问题2:链式操作 3`ELKq
现在让我们来看看如何处理链式操作。 bV$)!]V
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 elG<k%/2
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 , 'ZD=4_
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 wm$}Pch
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 1I<rXY(a`
{6c2{@
template < typename T > r!HwXeEn/
struct result_1 5c^Z/
Jl$c
{ u
a~CEs
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 5KDGSo
} ; `}lJH i
bBS,-vN
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: bLQ ^fH4ww
I*IhwJFl/
template < typename T > 7_mw%|m6@
struct ref {
Q`QX`#
{ 3&[>u;Bp
typedef T & reference; DiEluA&w9
} ; '6xQT-sUih
template < typename T > i 4%xfN
struct ref < T &> ,>:;#2+og
{ ]Qfn(u=o
typedef T & reference; 3'c0#h@VD
} ; N\#MwLm
k7>|q"0C
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: e=Z,
Jg
Sz^5b!
template < typename T > Fx
$Q;H!.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const f"9q^
{ YE= q:Bv
return l(t) = r(t); +AHUp)
} W0k0$\iX
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。 h|h>u
^@
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3v
mjCm
)Jk0v_ X
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 mXUGe:e8
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: DWID$w
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 &/uu)v
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &%s8L\?
最后的布局是: -GqT7`:(H4
Add T.We: ,{
/ \ v|Yh w
Divide 5 &g.+V/<[
/ \ L. EiO({W
_1 3 =9z[[dQ|L
似乎一切都解决了?不。 e#Z$o($t
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。 9(5OeH6o?
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。 59%tXiO
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: ` bdZ/*E
p8\zG|b5
template < typename Right > PC[c/CoD
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const B';6r4I-
Right & rt) const A%^w^f
{ >j'ZPwj^
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); w7FW^6Zl
} lK4M.QV
?\
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 t\
7~S&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。 g+ MdHn[
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。 ,Vh{gm1
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。 ^ mS
o1?<
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。 |6(ZD^w
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"v.*
%"&/
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: uFLx
FI<q@HF
template < class Action > x,otFp
class picker : public Action ~,BIf+\XF
{ g*F '[Z."
public : }j^\(2
picker( const Action & act) : Action(act) {} >TP7 }u|
// all the operator overloaded ?APeR,"V
} ; 13+<Q \
`"@g8PWe
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。 lr{?"tl_
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: Z-U-N
'2laTl]`
template < typename Right > 2OwV^-OG
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const N @#c,,
{ EM/@T}
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ]ZoD'-,
} `d[1`P1i[
*JaqTI,e
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Qhw^S*
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。 %<\6TZr
!Yw3 d
template < typename T > struct picker_maker TD9;kN1`
{ Xu>r~^w=S
typedef picker < constant_t < T > > result; r)1'ePI"
} ;
WJ
d%2pO]
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > s-RQMK}H
{ fnNYX]_bk
typedef picker < T > result; T`9u!#mT=
} ; VL/|tL>E^
mCWhUBghR
下面总的结构就有了: BA:yQ
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。 2PeR
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。 E^rbcGJ
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 =Me5ftw
至此链式操作完美实现。 sj8~?O
Ht-t1q
w~;I7:
七. 问题3 tBm_YP[
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。 i:cXwQG}B
Pf$pt
template < typename T1, typename T2 > r 3M1e+'fc
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const DwV4o^J:l
{ M#4QQ} F.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); :KKa4=5L
} 3 AHY|
!bD@aVf?5
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: >rP#ukr5
X!j{o
template < typename T1, typename T2 > g
>'p>}t
struct result_2 v|ck>_"
.
{ _kdL'x
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; DEw8*MN
} ; s%!`kWVJ.
/% I7Vc
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? N~ ?{UOZd
这个差事就留给了holder自己。 LFZiPu
)$&dg2[
SR8qt z/V
template < int Order > #k$)i[aI-
class holder; X/;p-KX
template <> c=;:R0_'t
class holder < 1 > N,J9Wu ZJ\
{ * FeQ*`r
public : 1Fe^Qb5G
template < typename T > (Si=m;g
struct result_1 p:OPw D+
{ *1'`"D~
typedef T & result; jV/CQM5a+
} ; >?]_<:
template < typename T1, typename T2 > y?)}8T^
struct result_2 J j=;
{ WA$>pG5s
typedef T1 & result; ]u-02g
} ; z**hD2R!
template < typename T > a|BcnYN
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const $x#FgD(iI
{ D&ve15wL
return (T & )r; /oL;YIoQX
} /R
LI,.%
template < typename T1, typename T2 > NJ MJ
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ai'4_
{ Z Dhx5SL&
return (T1 & )r1; jhGlG-^
} jDRe)bo4
} ; n q19Q)
%Td )0Lqp
template <> u0RS)&
class holder < 2 > %y<ejM
{ g2R@`./S
public : ya
-i^i\
template < typename T > *<'M!iRC
struct result_1 o]LRzI
{ /EMJSr
typedef T & result; 1mSaS4!"B
} ; O3N_\B:
template < typename T1, typename T2 > f7hXQ|$
struct result_2
Q2p)7G
{ $>R(W=Q
typedef T2 & result; @cq`:_.[
} ; s-W[.r|
template < typename T > 7dX/bzUVz8
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const rxO2js
{ AY SSa 1}
return (T & )r; [Qdq}FYr
} qUo-Dq>
template < typename T1, typename T2 > {C^@Q"I
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 9e^HTUFbG
{ "XQj~L
return (T2 & )r2; +bC-_xGuh
} %{GYTc \'X
} ; #H]b Xr
Qn`$xY9mT
fa#xEWaFr
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> >。 00s&<EM
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: q:Lw!'Zh
首先 assignment::operator(int, int)被调用: %4X#|22n
L0ZgxG3:g
return l(i, j) = r(i, j); _3_d;j#G U
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) gcLwQ-
a`SQcNBf*
return ( int & )i; `dB!Ia|
return ( int & )j; w[g(8#*
最后执行i = j; InI^,&<
可见,参数被正确的选择了。 HEZgHL
(#zSVtZ
&{#4^.Q
WxNPAJ6YH
K(*QhKX
八. 中期总结 i1ph{;C
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: Q_p!;3
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 hVvPI1[2
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 $L|YllD%
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor \5g7_3,3W
k+*DPo@)
lZyxJDZ A
`o7m)T')
"BN-Jvb7q
x,kZ>^]&b
九. 简化 dV{N,;z
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 :H}a/ x*ur
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 lTNfTO^
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: j\V9o9D
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Q/e$Ttt4J
+-*/&|^等 Bq}p]R3X
2. 返回引用。 Vf
Jpiv1
=,各种复合赋值等 $s]c'D)
3. 返回固定类型。 5o2W[<