一. 什么是Lambda sqHvrI
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ,YFuMek
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, ) F 6#n&2
N m-{$U
vrXmzq
D1bS=>
;,"
class filler #V[?puE@
{ POTW+Zq]
public : |E-0P=h
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} N!DAn\g
} ; }gL9G
l5S(xQ
S4kGy}{+i
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: RsU=fe,
+uW$/_Y$
fXMVl\ <
QOIi/flK
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 9@C3jZ+9`H
$enh>!mU
u4B, |_MK
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 vBsd.2t~
>x)YdgJ*
WM BntB
!_s|h@
二. 战前分析 hNUAwTH6
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 dz.]5R
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 iC&=-$vu
HTI1eLZ2
.z+?b8Q\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 1&c>v3 $2
/* --------------------------------------------- */ zLXmjrC
vector < int *> vp( 10 ); %JDG aG'
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Rk^Fasg"
/* --------------------------------------------- */ =nOV!!
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); :7p0JGd
/* --------------------------------------------- */ eA&hiAP/
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); a&)0_i:r
/* --------------------------------------------- */ tA$,4B?
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); I.tJ4
/* --------------------------------------------- */ "|`8mNC
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); K|];fd U
{
yU1db^
"5e~19
>]Hz-2b
看了之后,我们可以思考一些问题: ?*E Y~'I
1._1, _2是什么? *=dFTd"#
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。 vJ>A
>RCB
2._1 = 1是在做什么? "^gZh3
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。 !zL1XW)q
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。 ^4]#Ri=U
*x[B g]/
N+l~r]: &
三. 动工 ([UuO}m-
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Y5=~>*e
%([$v6y
q#v.-013r
y?<[g;MuT
template < typename T > VgZ<T,SuW
class assignment Gk,{{:M:5
{ MLY19 ;e
T value; >1a-}>r
public : Vj4
if@Z
assignment( const T & v) : value(v) {} $/],QD_;"
template < typename T2 > !798%T
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } p+;Re2Uyg
} ; L@S"c
(
+%X_+9bd
m(nlu
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 x@2rfs
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ?1 r@r
7GfgW02
wxsJB2
twt
Bt L
class holder lf0/0KH
{ Vv'
e,m
public : MTb}um.($
template < typename T > n0U^gsD4J
assignment < T > operator = ( const T & t) const 9~zh]deH
{ Zqd&EOm
return assignment < T > (t); =b32E^z,
} _@;2h`q ?
} ; <?52Svi}}
-QIcBzw;q
BQSA;;n]
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: yt>Pf<AI
yNc>s/
static holder _1; <Nvw
w
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 -6~*:zg,
BArsj
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nen6!bw4
而不用手动写一个函数对象。 E{T\51V]%
b-]E-$Uz
oHI~-{m3)
ro@Zbm;P
四. 问题分析 #i ?@S$
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。 f Otrn
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。 |C'w] QYm
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 /2>-h-zBjw
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 j6Jz
下面我们可以对这几个问题进行分析。 rRcfZZ~` M
y;0.P?Il"
五. 问题1:一致性 D\(,:_ge
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?| 78+H|bH8
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 *IGxa
\*LMc69
struct holder n8[sR;r5f
{ x@DXW(
// sl6p/\_w
template < typename T > {,IWjt &>
T & operator ()( const T & r) const ?MKf=!w
{ X$/3
return (T & )r; \q3H#1A
} GOJi/R.{
} ; m80+b8b
~Zl`Ap
这样的话assignment也必须相应改动: r4+w?=`
Ez?vJDd
template < typename Left, typename Right > |r}%AN6+
class assignment T~"tex]
{ oCy52Bm.!
Left l; +D?d)lK
Right r; {Hp?rY@
public : mI9h| n
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {}
cD0
template < typename T2 > ]|u}P2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } "oz@w'rG
} ; 7;CeQx/W)W
sB0+21'R
同时,holder的operator=也需要改动: cnLC> _hY
=#BeAsFfO
template < typename T > ~e{2Y%
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const *!Am6\+
{ <$?:|
return assignment < holder, T > ( * this , t); -mY90]g
} {!N4|
&=H M}h
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。 LvWU
%?
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 GZZLX19sq
,9?'Q;20
return l(rhs) = r; 'Dat.@j
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。 LWVO%@)w
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: !-N!80
"3\RJ?eW:S
template < typename Tp > 7e8hnTzl8<
class constant_t P?9CBhN
{ EHzZ9zH\
const Tp t; "VT5WFj
public : P* aD2("Z
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} EAY9~b6~c
template < typename T > {q}:w{x9u
const Tp & operator ()( const T & r) const 3M%EK2 ,
{ _KZ(Yq>SdY
return t; *r-Bt1
} }\823U
%
} ; +B8Ut{l
vnN_csJ#^
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 UD9h5PgT
下面就可以修改holder的operator=了 $35Oyd3s<
e. [+xOu`
template < typename T > b%oma{I=.c
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const etTuukq_Z
{ 50I6:=@\\
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); nn=JM7e\9
} L1F){8[
Rp@u.C<
同时也要修改assignment的operator() l w%fY{
[;?^DAnK2
template < typename T2 > Yt#($}p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ko5\*!|:lj
现在代码看起来就很一致了。 8p5'}Lq
)j9FB
六. 问题2:链式操作 ]$L[3qA.
现在让我们来看看如何处理链式操作。 +\W"n_PPy
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 5vpf;
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ITsJjcYw
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 JQtH},Tr
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct <!+o8z]
yjSN;3t71
template < typename T > `2@-'/$\I|
struct result_1 xS(sR x+A
{ $<aBawLZO
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; JBwTmOvQ
} ; =?f}h{8x>
,h>w %
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: kEXcEF_9P
cYp}$
template < typename T > Z
ZiS$&NK8
struct ref )`Fr*H3{
{ {$EXI]f
typedef T & reference; I}q-J~s
} ; #E ~FF@a
template < typename T > r]E$uq
bR
struct ref < T &> c3}}cFe
{ w1}[lq@
typedef T & reference; )R|7> 97
} ; a>kDG <.A
i]YQq! B
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: NRl"!FSD;"
zJsoenU
template < typename T > /F4:1
}
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 2Z97Tq
{ ,S5#Kka~a
return l(t) = r(t); c !;wp,c
} T9$U./69-L
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。 kDz.{Ih
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 UP`q6]P
"/"qg
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 ;CvGIp&y
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ~H$XSNPi
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ex=~l O
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 =aekY;/
最后的布局是: [_0g^(`
Add jG2w(h/"
/ \ [D,:=p`
Divide 5 N0piL6Js
/ \ D#$gdjZ
_1 3 4w?7AI]Ej
似乎一切都解决了?不。 q1gf9`0
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。 G!~BA*
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。 3(&.[o
Z
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: H|Nw)*.
6+FON$8
template < typename Right > b1#=q0Zl
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const t#q>U%!
Right & rt) const Ocb2XEF
{ w*
I+~o-
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); c]]F`B
} s6D-?G*u%8
下面对该代码的一些细节方面作一些解释
j{^(TE
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 s/^k;qw
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 kmoJ`W} N
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Z])_E6.
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 .$k"+E
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? ZFON]$Zk
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: zfZDtKq
:qbG%_PJ
template < class Action > VMWg:=~$
class picker : public Action }"-r;i
{ | rvr Sab)
public : c|R/,/
picker( const Action & act) : Action(act) {} jQb D2x6(
// all the operator overloaded _y9P]@Q7%
} ; 1FJ[_l
Kzb@JBIF
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。 9X%Klm 5w
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: @5wg' mM
W~tOH=9>
template < typename Right > OeYLL4H
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const @NIypi$T
{ T]W -g
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8x"d/D
} MT`gr
@r ?`:&m0
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > kut|A
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 G|lI=Q3f
!_) ^bRd
template < typename T > struct picker_maker 3~Ln:4[6ID
{ w#T,g9
typedef picker < constant_t < T > > result; 62jA
} ; &[RU.Q!_H
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 8:% R|b
{ DKl7|zG4
typedef picker < T > result; J7GsNFL
} ; fYy.>m+P1
6\;1<Sw*
下面总的结构就有了: ra>`J_
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 .LhmYbQ2WE
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 CiI:
uU
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 _w;+Jh
至此链式操作完美实现。 :Y>]6
L_mqC(vn
G 7]wg>*
七. 问题3 kDq%Y[6Z
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 3(+#^aw
r%pFq1/'!
template < typename T1, typename T2 > k_>{"Rc
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const !h!9SE
{ ^ kvH/ Y&
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ef&@aB
} >e;STU
Jt6J'MOq
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ap^=CEf
Q~JKKq
template < typename T1, typename T2 > 6# ";W2
struct result_2 1omvE9
%zM
{ >UY_:cW4%m
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 9M]"%E!s
} ; h)8+4?-4I
AJfi,rFPg
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? `uVW<z{l
这个差事就留给了holder自己。 cl{W]4*$
k_<{j0z.
X3{1DY3@u
template < int Order > ~[TKVjyO
class holder; *"FLkC4
template <> 2?iOB6
class holder < 1 > 6;frIl;
{ zL'IN)7MU
public : %D(prA_w
template < typename T > -!,]Y10
struct result_1 jHlOP,kc
{ 7/_ VE
typedef T & result; 'S7@+kJ
} ; \Z20fh2
template < typename T1, typename T2 > F9P0cGDs
struct result_2 5w)^~#'
{ QX.6~*m1
typedef T1 & result; =veOVv[Q&/
} ; N5s|a5
template < typename T > ?vn 0%e868
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const i
`QK'=h[
{ C2rj ]t
return (T & )r; 7.
9s.*
} ynZ[c8.
template < typename T1, typename T2 > ;K\N
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const C6UMc}
9h
{ ?lDcaI>+n
return (T1 & )r1; S~Iw?SK3
} ^[}0&_L
w
} ; 0j!ke1C&C
8V|jL?a~
template <> ;Z1U@2./
class holder < 2 > (SsH uNt.
{ !Vr45l
public : yC0f/O
template < typename T > $dTfvd
struct result_1 9id~NNr7
{ o1X/<.0+
typedef T & result; GGc_9?h
} ; "Dl9<EZ
template < typename T1, typename T2 > ?e y&Un"
struct result_2 MAe<.DHY
{ `x$}~rP&)!
typedef T2 & result; 'CX.qxF1;p
} ;
n22hVw
template < typename T > +yb$[E*
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const f'6qJk%J
{ Uk*;C
return (T & )r; iCnUnR{
} TdP{{&'9
template < typename T1, typename T2 > 3H'nRK},
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const FK@ f'
{ AIl$qPKj&
return (T2 & )r2; pO/SV6N
} vbA7I<;
} ; A2|o=mOH
))IgB).3M
7t-*L}~WA
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> >。 `@$"L/AJ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: B}q
首先 assignment::operator(int, int)被调用: X}j'L&{F@
0?F@iB~1F
return l(i, j) = r(i, j); MeI2i
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) &@W4^-9
2&gVZ z
return ( int & )i; !/4V^H
return ( int & )j; rX!+@>4_L
最后执行i = j; g/l0}%
可见,参数被正确的选择了。 &=z1$ih>2\
o7Cnyy#:
lv00sa2z
F8S~wW=\w
,dZ#,<
八. 中期总结 ^%oG8z,L
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: LZQFj/,Jg
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 +f\pk \Ith
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 i|c`M/) h:
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ST:
v3*
UN *dU
r ,3Ww2X-
Fp5NRM*-!
@cu}3>
\za5:?[xB
九. 简化 ?Rt1CDu
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。 x0u?*5-t
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 of+phMev
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: &ppE|[{
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 m0I #
+-*/&|^等 -B *<Q[_
2. 返回引用。 XWUvP
=,各种复合赋值等 R(2HYZ
3. 返回固定类型。 iM?I
/\
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 2H?I'<NoC
4. 原样返回。 }_a+X
operator, PTzp;.
5. 返回解引用的类型。 'YZI>V*
operator*(单目) vZ[$H
6. 返回地址。 ZVdsxo<
operator&(单目) QN5yBa!Wz
7. 下表访问返回类型。 Q{qj
operator[] iHE0N6%q
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 -7-Fd_F8
operator<<和operator>> BrNG%%n
$Yx6#m}[M
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。 ?AV&@EX2C
例如针对第一条,我们实现一个policy类: W>`g;[ W
e8d5(e
template < typename Left > -5V)q.Og
struct value_return e;A^.\SP
{ A*7Io4e!
template < typename T > L.09\1?.n
struct result_1 kyW6S+ #-
{ +A8=R%&b)[
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Kk!6B
} ; >a&