一. 什么是Lambda 51usiOq
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 OOwJ3I >]>
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, >,1LBM|0u
T!E LH!
W%:zvqg
v
f>PU# D@B
class filler 7 {<lH%Tn
{ P;[mw(
public : 4h(Hy&1C
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} hQeZI+
} ; ?uv%E*TU
2F]MzeW
s os&
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: 34+}u,=
KfS^sT
5eJd$}Lbc
)2hoO_l:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); wkw/AZ{27
tam/FzVw
7Kjq1zl;
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ^5F/=TtE G
i>}z$'X
)I9(WVx!]
}(6k7{,Gw,
二. 战前分析 .?
/J
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。 [?2mt`g
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 !9NAm?Fw
WDR!e2G
nrS_t
y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); G}*B`m
/* --------------------------------------------- */ :4d7%q
vector < int *> vp( 10 ); 6;DPGx
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); &n
wg$z{Y
/* --------------------------------------------- */ >Fh@:M7z
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); }% *g\%L
/* --------------------------------------------- */ i&KODhMpP
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); a4YyELXe
/* --------------------------------------------- */ ^(3k
uF
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' );
`Ea3z~<7M
/* --------------------------------------------- */ ?;Qk!t2U
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); :SGQ4@BV
O'(vs"eN
&$f?XdZ7
4YC`dpO'
看了之后,我们可以思考一些问题: dQb?Zi7g
1._1, _2是什么? 9OBPFF
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。 &rubA
2._1 = 1是在做什么? =\.|'
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。 w8Yff[o
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。 |Sq>uC)
$G[##j2
he #iWD'
三. 动工 JZ
[&:
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: L`v,:#Y
q)X&S*-<o~
w93,N+es6
!/SFEL@_B
template < typename T > ;iVyJZI
class assignment Sz&`=x#
{ cA kw5}P
T value; 4(]k=c1<
public : ikC;N5Sw
assignment( const T & v) : value(v) {} &[uGfm+@
template < typename T2 > CDhk!O..
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 5o*x?P!$
} ; %qMk&1
iuEdm:pW
ns-x\B?^
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %k_JLddlW
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment @B6[RZ R
[sBD|P;M
_=b[b]Ec$s
w# ['{GL
class holder Y9N:%[ :>W
{ (;N_lF0
public : 0ro+FJ r
template < typename T > a/1{tDA
assignment < T > operator = ( const T & t) const X9J^Olq
{ 9TLP(
return assignment < T > (t); l;4F,iI
} qM)^]2_-
} ; /+iaw~={"
5ym
=2U
UT -=5
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: =0Mmxd&o=M
%Vq@WF
static holder _1; :BS`Q/<w
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 7@\iBmr6
,aeFEsi
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); q!n|Ju<
而不用手动写一个函数对象。 4{V=X3,x
PuWF:'w r
j,Y=GjfGM
W$W7U|Z9y+
四. 问题分析 tF4"28"h
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。 z|Xl%8
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。 LS`Gg7]S
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 =B\?(
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 hn-S$3')`
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ;rX4${h
X!m/I
i$q
五. 问题1:一致性 ty ~U~
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ^t"\PpmK<d
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 <m!\Ma
@m6E*2Gg
struct holder +.=a
R<Q
{ kci H
// `k+k&t
template < typename T > y(HR1vQ;Z
T & operator ()( const T & r) const q(C+D%xB
{ ev>: 3_ s
return (T & )r; +Fk.B@KT,
} P)3e^~+A
} ; ?w.Yx$Z"
: v]< h
这样的话assignment也必须相应改动: 6i%)'dl
_$\T;m>'A
template < typename Left, typename Right > Ky+TgR
class assignment D_@^XS
{ b|EZ;,i
Left l; JSM{|HJxh
Right r; ~o+u: ]
public : j=7 ]"%
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} `'~|DG}a
template < typename T2 > ?D#Vh a
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } q
o'1Pknz
} ; GYBM]mW^ W
{YkW5zC(L
同时,holder的operator=也需要改动: wi!Ml4Sb
pl%ag~i5
template < typename T > >o@WT kF]
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const h'
16"j>
{ >y1/*)O9~
return assignment < holder, T > ( * this , t); nD!^0?
} ZEB1()GB
IgVxWh#
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ^OUkFH;dG?
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Vry#
`=oN &!
return l(rhs) = r; M$w^g8F27H
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。 aw(P@9]
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: DY1o!thz)
bygwoZ<E
template < typename Tp > "UE'dWz
class constant_t UXd\Q''
{ pJ{sBp_$
const Tp t; _rSnp
public :
@521zi
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} zITXEorF!J
template < typename T > qh=lF_%uj
const Tp & operator ()( const T & r) const )J0'We
{ IuPwFf)
return t; ztf (.~
} es.`:^A
} ; 2lQ'rnqS)
rK];2[U
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 u+hzCCwtR
下面就可以修改holder的operator=了 T\OLysc
z*:^*,
template < typename T > u ;I5n
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ,#<"VU2 bC
{ sC/T)q2
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); F$)Ki(mq
} vQA: \!
tvP"t{C6,
同时也要修改assignment的operator() JTx&_Ok#
REw!@Y."
template < typename T2 > pCv=rK@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2+0'vIw}
现在代码看起来就很一致了。 Hf#/o{=~}
{<bByHT!
六. 问题2:链式操作 %6 Bt%H
现在让我们来看看如何处理链式操作。 fuQ?@F
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 Ehg5u'cj
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Y]P]^3
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Dk:Zeo]+my
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct F`'e/
B6,"S5@
template < typename T > 9v^MZ^Y{
struct result_1 8%Pjx7'<
{ zL1H[}[z+
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; fY\QI
=
} ; _uL m !ku
Uc\\..Cf
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: <UeO+M(
7)~/`w)P
template < typename T > HdLVXaD/
struct ref Kx ';mgG#$
{ K5b8lc
typedef T & reference; A2]N :=
} ; "#(]{MY
template < typename T > IS"UBJ6p
struct ref < T &> 7x`uGmp1
{ FD[*mCGZ
typedef T & reference; )'92{-A0
} ; (eHvp
<Cm:4)~
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: )t0t*xu#
jRzR`>5
template < typename T > eo"6 \3z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const l1a=r:WhH
{ ~,.Agx
return l(t) = r(t); TR|G4l?
} %
`\8z
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。 J7$5<
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Ry tQNwv3
qd"*Td
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 P5kkaLzG
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: db4Ol=
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 LKtr>u
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 pz~AsF
最后的布局是: )N<>L/R
Add g;Bq#/w
/ \ #NwlKZ-
Divide 5 Sw>AgES
/ \ KR#Bj?fz-H
_1 3 [p|-G*=00
似乎一切都解决了?不。 buq3t+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。 yin"+&<T
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。 }B^KV#_{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: L9&Z?$6J_p
t: r
template < typename Right > <5G*#0gw
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const i e%ZX
Right & rt) const $D1Pk
{ *[k7KG2_U
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _"Y;E
} (WX,&`a<$
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 dyD=R
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。 I"y=A7Nq
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。 OiZPL" Q(K
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。 -(@dMY
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。 "EDn;l-Q
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? p~En~?<
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: 3T%WfS+
aa8WRf
template < class Action > /&Khk #
class picker : public Action 8tY],
{ rer=o S
public : 77.5
_
picker( const Action & act) : Action(act) {} FX4](oM
// all the operator overloaded RV.*_FG
} ; 52,p CyU
qJKD|=_
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。 hT#[[md"
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: `fj(xrI
iO(9#rV
template < typename Right > Atzp\oO
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const dq[j.Nmq
{ JY~s-jxa
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /)e&4.6
} \M'b%
J+kxb"#d
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ;a[56W
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。 2(Vm0E
fYl$$.
template < typename T > struct picker_maker A!x_R {,yH
{ NyFa2Ihd
typedef picker < constant_t < T > > result; pg ;agtI
} ; S2@[F\|r
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 120<(#
{ D9 OS,U/l
typedef picker < T > result; H_3S#.
} ; gQCkoQi:j
h1:uTrtA
下面总的结构就有了: ,yNPD}@v>
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。 .yd{7Te
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。 80x
%wCY`
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 3 8m5&5)1F
至此链式操作完美实现。 Y, )'0O
}[SWt3qV1
%F` cNw]
七. 问题3 k^:$ETW2
D
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。 j]6Z*AxQ
&>ii2% 4
template < typename T1, typename T2 > !LVWggk1
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const P*BA
{
e%afK@c
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); tK`sVsm>
} XTUxMdN
"@;q! B.qo
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: O&!+ni
=)
$a>N
template < typename T1, typename T2 > f
nX!wN
struct result_2 Kzb&aOw
{ J$%mG*Y(
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ?kI-o0@O.
} ; @TdPeTw\
N4}j,{#
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? &jT>)MXPu
这个差事就留给了holder自己。 U@@#f;&
P>+{}c}3I
/QZnN?k
template < int Order > 3?|Fn8dQR.
class holder; T2P0(rEz
template <> ?Lbwo<E
class holder < 1 > ;XMbjWc
{ Zrr3='^s
public : rW0# 6
template < typename T > Q.*qU,4);
struct result_1 MRwls@z=
{ <x,u!}5J
typedef T & result; F42r]k
} ; @F]6[
template < typename T1, typename T2 > Cg
|_) _w
struct result_2 $W<H[k&(B
{ tO~DA>R
typedef T1 & result; M}k )Ep9
} ; mL?9AxO
template < typename T > <N}UwB&
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const "WdGY*r
{ bae .?+0[
return (T & )r;
Z3<>Z\6D
} #UG| \}Lp
template < typename T1, typename T2 > ZSuUmCm
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const MUh)
{ Kn SXygT
return (T1 & )r1; QXY-?0RO#
} };o6|e:2E
} ; *]nha1!S
7L|w~l7R~
template <> pk%I98! Jy
class holder < 2 > ,%w_E[2
{
({zt=}r,
public : 8xJdK'
template < typename T > MC D]n
struct result_1 =;-/( C
{ `re]Q0IO
typedef T & result; @vh3S+=M
} ; \$}xt`6p
template < typename T1, typename T2 > p%EU,:I6
struct result_2 .Qg!_C
{ kSv?p1\@&P
typedef T2 & result; $qYtN`b,
} ; d/!sHr69
template < typename T > RIJ+]uir4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const $v#Q'?jE
{ JR|yg=E
return (T & )r; D|/Azy.[
} .7++wo!,
template < typename T1, typename T2 > O`~G'l&@T
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const )HNbWGu
{ BQ{Gp 2N
return (T2 & )r2; S}gUz9ks
} mf=, 6fx28
} ; =K I4
0N$tSTo.-<
&Y%Kr`.h
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> >。 "%dWBvuO
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: HK)$ls
首先 assignment::operator(int, int)被调用: j*t>CB4
[wG?&l$.KB
return l(i, j) = r(i, j); tQ_;UQlX
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) {:xINQ=}D
IzF7W?k
return ( int & )i; U>7"BpC
return ( int & )j; hSSF]
最后执行i = j; 0kS[`a(}J
可见,参数被正确的选择了。 M;OY+|uA
Vh$~]>t:f
:BKY#uH~
XL c&7
+Gqh
八. 中期总结 ;Xg6'yxJ
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: Un@B D}@\
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 `Jhu&MWg
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ~z#Faed=a
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor A^
$9[_
A\ds0dUE
!;.i#c_u
} R!-*Wk
>DVjO9Kf
u4bPj2N8I
九. 简化 (2(I|O#
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 htk5\^(X
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 !^cQPX2<
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ]^$&Ejpe#
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 |C?<!6.QmV
+-*/&|^等 <use+C2
2. 返回引用。 ke_Dd?
=,各种复合赋值等 ZGK*]o=)
3. 返回固定类型。 L3lf2 8W
各种逻辑/比较操作符(返回bool) G 5w:
4. 原样返回。 QE[ETv
operator, 6DqV1'
5. 返回解引用的类型。 &MsnQP
operator*(单目) g#ubxC7t<
6. 返回地址。 ^eQK.B(
operator&(单目) o7S,W?;=5
7. 下表访问返回类型。 \gaGTc2&
operator[] Ug*:o d
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Os'
7h
operator<<和operator>> !q=ej^(S
Bi/=cI
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。 u'M\m7
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ,2q LiE>
)%Z<9k
template < typename Left > Bm2"} =
struct value_return = zW}vm }
{ Zm,<