一. 什么是Lambda -y1t;yU.L
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ;xl_9Ht/
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, ]di9dLT
\~{b;$N}
EvJ"%:bp
Z7@~#)3
class filler 45DR%cz
{ w*-1*XNA
public : \@eC^D2
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} o@! !I w
} ; gvi]#|
w-3 B~e
Z"u|-RoBV
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: @m99xF\e
V1= (^{p8
!~5=tK
A[mm_+D>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Pp9nilb_(
Hc"FW5R
(qQ|s@O
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 |vLlEN/S
u}L;/1,B
A!\-e*+W=
GSh~j-C'
二. 战前分析 4 -dV%DgC
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。 {k#RWDespy
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 Ov5*&*P
^HM9'*&KJ
B<A=U r
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); iO?Sf8yJ:
/* --------------------------------------------- */ 4CdST3
vector < int *> vp( 10 ); |n_es)A
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ^^m3
11=
/* --------------------------------------------- */ k"V@9q;*
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); #VA8a=t
/* --------------------------------------------- */ *G,'V,?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); z#|#Cq`VG
/* --------------------------------------------- */ ncy? w
e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); aRh1Q=^@(4
/* --------------------------------------------- */ C*f3PB=H_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 'r2VWavT
6IQkP9P(
JL7"}^
dAZh# i[
看了之后,我们可以思考一些问题: XM"{"
1._1, _2是什么? Gf|qc>j.b
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。 nGdEJ
2._1 = 1是在做什么? nYF *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。 #P''+$5,
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 |k-IY]6
=%Yw;%0)Y
YhzDi>hob
三. 动工 -UhGacw
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: IRxFcLk
1Z+\>~8
=rrbS8To=
fcC?1M[BP~
template < typename T > >[U.P)7;
class assignment ny,a5zEnF
{ ^:yg,cS|Be
T value; pOz4>R
public : *YI>Q@F9
assignment( const T & v) : value(v) {} 9u->.O: p
template < typename T2 > ;Npv 2yAab
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } b3,&RUF
} ; o9Z!Z^
f/&k$,w
WRWcB
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 mu!hD^fw
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment NSPa3NE
q[}[w! to
hR] AUH
8O)!{gB
class holder -5Km9X8
{ .$k2.-k
public : m R? } gR
template < typename T > V(Dn!Nz
assignment < T > operator = ( const T & t) const >;;tX3(
{ _c W(R,i
return assignment < T > (t); 6.!3g(w
} 9b0M'x'W5
} ; M_4:~&N$
$2M dxw5
WG_20JdJY
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: N!`8-ap\^
\3ZQ:E}5
static holder _1; l5m5H,`
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 _v+mjDdQ
.skR4f,h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .kGlUb?^Q
而不用手动写一个函数对象。 8-wW?YTG
y8{PAH8S
3>`CZ]ip}
2|1s !Q
四. 问题分析 0> 6;,pd"
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 3gn)q>Xj$
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。 gyI(O>e
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 B3P#p^
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 LE|*Je3a
下面我们可以对这几个问题进行分析。 as{^~8B
1xJc[q
五. 问题1:一致性 Pw"o[8
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?| O@
GEl
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ]vPa
A
WB=pRC@
struct holder KXgC]IO~
{ &tULSp@J
// }Ot
I8;>
template < typename T > G$5N8k[2
T & operator ()( const T & r) const O>E2G]K]\
{ $hkMJ),T~
return (T & )r; ~)zoIM \
} A-GRuC
} ; CZ/bO#~
S[b)`Wi D
这样的话assignment也必须相应改动: @[qGoai
Kzs]+Cl
template < typename Left, typename Right > x=>+.'K
class assignment ">n38:?R
{ [U]ouh)
Left l; nC3U%*l
Right r; uh~/ybR
public : P~)ndaQ
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} <&?gpRK
template < typename T2 > GnE%C2L-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } R?Dbv'lp>
} ; idC4yH42
2 NgEzY5
同时,holder的operator=也需要改动: LWB"}#vt
G36}4
template < typename T > U#O6l-xe]
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const (;V=A4F-D
{ *ay>MlcV2=
return assignment < holder, T > ( * this , t); ?,JN?
} Dj<]eG]
iI[Z|"a 21
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。 >@yHa'*9S
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 3&D;V;ON}_
&=sVq^d@qe
return l(rhs) = r; s<I[)FQVr
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。 XIu3n9g^#
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: TU&t 1_6
|k wkikGQS
template < typename Tp > qzVmsxBNP
class constant_t y&0&K4aa
{ uA?_\z?
const Tp t; #rZk&q
public : \(a9rZ9
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} fq){?hk~O
template < typename T > g<[_h(xDeG
const Tp & operator ()( const T & r) const G\\zk
{ }mjJglK!N
return t; .(Gq9m[~8H
} o0~+%&
} ; IED7v
K_iy^|0)5]
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 !af35WF
下面就可以修改holder的operator=了 B)F2SK<@
+w-UK[p
template < typename T > v^aARIg
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const l-yQ3/:
{ OCzWP,
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); V|> u,
} fCSM#3|,]
&z-f,`yG
同时也要修改assignment的operator() }b+tD3+
[_jTy;E
template < typename T2 > TqNEU<S/t
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } yA%(!v5UT
现在代码看起来就很一致了。 EO'[AU% ~
"`DCXn#mB
六. 问题2:链式操作 krTH<- P
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Y8I$JBO
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。 A/W-'%+`
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。 (lhbH]I
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。 0@rrY
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct X6mY#T'fQ
|X9YVZC
template < typename T > G?)vqmJ%
struct result_1 Eb`U^*A
{ W:uIG-y~
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; v7O&9a;
} ; $;%-<*Co
4uv'l3
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: ZpPm>|w
9YMUvd,u
template < typename T > <lM]c
struct ref
%-+lud
{ ,UQ4`Mh^L
typedef T & reference; }XCHoB
} ; o/9(+AA>
template < typename T > Hw34wQX
struct ref < T &> $4`RJ{ZJw]
{ _pQ9q&i4
typedef T & reference; guv)[:cd;
} ; [3s,U4a
rMqWXGl`(
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :N#gNtC)b
;JpU4W2/
template < typename T > wobTT1!|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ^3QHB1I
{ b0]y$*{j
return l(t) = r(t); }io9Hk>|
} EI2V<v
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。 >Qc0g(w
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 XpWqL9s_E
{4&G\2<^^
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 "])X0z yM
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: $=n|MbFl
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 /Cr0jWu
_
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 j_SRCm~:
最后的布局是: A>^\jIB>
Add i% k`/X;
/ \ 3|%Q{U
Divide 5 tv)x(MX
/ \ s4lkhoN\t
_1 3 \$s<G|<P
似乎一切都解决了?不。 Py6c=&*
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。 Zi/l.=9n
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。 0@1AH<
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: q@P5c
wo84V!"A
template < typename Right > ghJ81
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 8QDRlF:;<
Right & rt) const m2%uGqz
{ E0}`+x
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); =-{+y(<"r
} GAbX.9[V
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 v')Fq[H
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。 }4Lv-9s,
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。 $k*E^~qT
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 !l@IG C
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 YY]JjMkU
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? {) 4D1
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: :{%6<j
O'U0Y8HN
template < class Action > MuYr?1<q
class picker : public Action 3> -/sii
{ |)i-c`x
public : Y1txI
picker( const Action & act) : Action(act) {} [zIX&fPk$
// all the operator overloaded \?h +
} ; qX`?4"4
x;lIw)Ti
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。 =)"60R7{
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: {FraM,w:
vn~DtTp/
template < typename Right >
T5,/;e
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const <r.f ?chf
{ nX<!n\J T
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); n NZq`M
} $zbm!._~DA
<WtX>
\]l(
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > cnC&=6=a<
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。 iN5~@8jAzz
cC1nC76[
template < typename T > struct picker_maker Qs8iu`'
{ 5 |{0|mP
typedef picker < constant_t < T > > result; e2UbeP
} ; Ps7( 4%
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > "EF:+gi#"
{ c, \TL
]
typedef picker < T > result; V:)k@W?P
} ; YMad]_XOP
)!hDF9O
下面总的结构就有了: d4/snvq
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。 fXvJ3w(
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。 TLl*gED
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 )-#%
至此链式操作完美实现。 Yn[y9;I{
%JBp~"
{_|~G|Z
七. 问题3 }k7@
X
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。 soA>&b!?
K&<bn22
template < typename T1, typename T2 > u2y?WcMv
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const S%-L!V ,
{ -4Zf0r1u
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); lMB^/-Y
} {HNGohZt
["Ep.7=SU
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: 6GMQgTY^
F N;X"it.
template < typename T1, typename T2 > Erl"X}P
struct result_2 nsij;C
{ .@JXV
$Z
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; _
mhP:O
} ; jL^zS XQB
G9:[W"P
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? lLxKC7b
这个差事就留给了holder自己。 .1.n{4z>:
0vQ@n7
fOm=#:O
template < int Order > pY!@w0.
class holder; 0^*4LM|z
template <> 'h%)@q)J)
class holder < 1 > &!2
4l=!
{ ae{%*
\J
public : fBS;~;l
template < typename T > E@hvO%
struct result_1 Q?L-6]pg
{ fxXZ^#2wX
typedef T & result; 25t2tj@S
} ; |L.QIr,jCC
template < typename T1, typename T2 > `Q<hL {AH
struct result_2 <<6i6b
{ 5'?K(Jdmp
typedef T1 & result; bT,]=h"0
} ; U
PGS
template < typename T > acdaDY
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const M '$n".,p
{ WM*[+8h
return (T & )r; X2(TuR*t
} us"SM\X#
template < typename T1, typename T2 > uNxR#S
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 2Y\,[ $z
{ B<xBuW
return (T1 & )r1; -@Mr!!t?N
} fBR,Oneo
} ; I{JU<A,&
8GN0487H
template <> gnlGL[r|
class holder < 2 > A/lxXy}D
{ HY~\e|o
public : dMCV
!$
template < typename T > 5Z]`n
struct result_1 d2'9C6t
{ ~#h@.yW^JN
typedef T & result; 8h=H\v^f
} ;
R,x\VX!|
template < typename T1, typename T2 > =7e~L 3 K
struct result_2 ={~`0,
{ `S2YBKz,1
typedef T2 & result; m%m/#\J E
} ; _=3H!b =
template < typename T > |+mhYq|`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7C9qkQ
Jqn
{ Yl% Ra1
return (T & )r; )3=oS1p
} xqmP/1=NO
template < typename T1, typename T2 > Xnt`7L<L
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const -8HIsRh
{ 7h<B:~(K
return (T2 & )r2; b&"=W9(V
} >7!4o9)c
} ; B%6>2S=E
1?]Gl+}
pR4{}=g,
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> >。 Yn+/yz5k_
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: _Xlf}BE
首先 assignment::operator(int, int)被调用: xop9*Z$
&dp(CH<De
return l(i, j) = r(i, j); B#&U5fSw+0
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Dp8YzWL2^
57Y(_h:
return ( int & )i; sl}bNzT#
return ( int & )j; Gn<s>3E
最后执行i = j; yd]W',c
可见,参数被正确的选择了。 _*0!6?c
mhH[jO)
F2:+i#lE
;E l"dqH
{# ;e{v
八. 中期总结 O(!J^J3_z
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: 36,qh.LKn
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 (~?P7RnU%
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @`G_6<.`
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor -PbGNF
afqLTWUS
1y$Bz?4
=SA@3)kHH
IVzJ|
,@tYD(Z
九. 简化 \m1r(*Ar
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。 k|F<?:C
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 sw6]Bc
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: ~P
1(%FZ
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 K||9m+
+-*/&|^等 ^&am