一. 什么是Lambda kmM1)- v
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 :J-@+_J
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, <h2WM (n
=uZ[
nJ#uz:(w,
~jb6
class filler #]i*u1
{ 3u7N/OQ(
public : &,xN$
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} h#?L6<*tm
} ; Us'm9 J
rS>JzbWa
kScq#<Y&
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: #J]u3*Tn|
]&1Kz
2/
3~\mP\/4v
ZD] ^Y}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); EZz Ox(g
"_JGe#=
aE6I|6W?
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 =yiRB?
2JZf@x+}
;}{%|UAsx
<jT6|2'
二. 战前分析 K*Zf^g
m
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。 #CoJ S[t
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 %^m6Q!
2H_|Attoi
>[=q9k
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); NIeT.!
/* --------------------------------------------- */ 5 fjeBfy
vector < int *> vp( 10 ); ja}_u}:
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 4;_{* U-
/* --------------------------------------------- */ /E/J<
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); T9\wkb.
/* --------------------------------------------- */ \X5{>nNh
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); @CU3V+
/* --------------------------------------------- */ _niXl&C
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); -:`$8/A|
/* --------------------------------------------- */ p q7G[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); q4<3 O"c1
kJqgY|
C)`k{(-{
n4+l,~
看了之后,我们可以思考一些问题: /c~z(wv
1._1, _2是什么? ]'=]=o~4
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。 u~\u8X3
2._1 = 1是在做什么? S1&mY'c
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。 dJM)~Ay-
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。 wp`a:QZ8N
["4h%{.
3(G}IWPq<
三. 动工 xSZgQF~
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ^ElUU ?rX
LY[XPV]t
4df)?/
pw*<tXH!
template < typename T > V} Y %9V
class assignment 7y:%^sl
{ [f}YXQ0N)
T value; n1`D:XrE
public : W~E%Eq3
assignment( const T & v) : value(v) {} QWv+Ja
template < typename T2 > i
~fkjn
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ('pNAn!]
} ; ~isrE;N1|
k/YEUC5
T>s~bIzL*e
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 :l8n)O3
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 5\}A8Ng
-! Hn,93
L6Ykv/V
HDZB)'I
class holder abkl)X>k
{ W"+*%x
public : _eM\ /(v[
template < typename T > vFLQq,?Nh
assignment < T > operator = ( const T & t) const uyMxBc%6
{ qc\]~]H]r
return assignment < T > (t); cS/\&%7u
} x2/\%!mt
} ; a}ogNx
XRCiv
%4Cs
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: %KK6}d#
{A]"/AC
static holder _1; .5'M^
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 3JM0 m (
MW8GM }Ho[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 6= s!~
而不用手动写一个函数对象。 ]#;;)K}>
>&3M
#s(w
T1jAY^^I
#L5H-6nz
四. 问题分析 R!b<Sg
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。 Yo3my>N&g
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。 Cqy84!Z<
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ms8de>A|H
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 C-lv=FJEk/
下面我们可以对这几个问题进行分析。 &p=Uus
QNn\wz_)
五. 问题1:一致性 /"?yB$s
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| _0ki19rs
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Z
.VIb|
p/L|;c
struct holder UXwnE@`F
{ mH2XwA|
// Tt#4dm-
template < typename T > OAO|HH
T & operator ()( const T & r) const /]m5HW(P7K
{ S0\QZ/je
return (T & )r; V/"UDof
} Ya{$:90(4
} ; bHRH2Ss
4Ra
这样的话assignment也必须相应改动: LgXc}3
TeaP\a
template < typename Left, typename Right > pA7&
class assignment ZN#mu]jC?
{ cO%-Av~P
Left l; "/[xak!g
Right r; N|-M|1w96
public : n4,b?-E>(
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Uo?g@D
template < typename T2 > !qk+>6~A,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } I WKq_Zjkz
} ; wm~35cF(
TG9 a1q
同时,holder的operator=也需要改动: 4\
R2\
z5`AJrj%
template < typename T > b>SG5EqU@
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const TtTp,If
{ 5<ZE.'O
return assignment < holder, T > ( * this , t); &{E1w<uv
} koDIxj'%X
@-=0T!/
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。 1"tyxAo\
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ?D?_D,"C
c-1,((p
return l(rhs) = r; ieuq9ah#
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。 oS3'q\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 1) 7n
(
-P#PyZEH&I
template < typename Tp > [w*YH5kX
class constant_t art
L
{ LkYcAY$w
const Tp t; Ug(;\*yg
public : &$$KC?!w
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} U4;r.#qw,
template < typename T > APY^A6^:j
const Tp & operator ()( const T & r) const %gUf
{ HZ%2WM
return t; MiHa'90{K
} %L(;}sJ.
} ; Kz>bfq7
0?c2=Y
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 WOBLgM,|
下面就可以修改holder的operator=了 &%eWCe++
@GTkS!86
template < typename T > +I~`Ob
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Lv;% z
{ b)ytm=7ha
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Y$JGpeq8w
} 4z6i{n-k
_v=S4A#tF
同时也要修改assignment的operator() xAJ
N(8?
9~3;upWu!
template < typename T2 > v *'anw&Z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } aia`mO]
现在代码看起来就很一致了。 /`6Y-8e2
-DAkVFsN
六. 问题2:链式操作 xib?XzxGo
现在让我们来看看如何处理链式操作。 !@>_5p>q*
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 Vx'82CIC
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 b;Nm$`2
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。 U-^qVlw
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct vVvx g0
_{Z!$q6,
template < typename T > >}~\*Y\8@
struct result_1 !fX&i 6
{ b$@vJ7V!
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; /wAx#[c[
} ; Nk
JOD3>U
9t$#!2z
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: *Wbs{>&No
[d"]AF[#
template < typename T > oVZI([O
struct ref XotiKCk|Aq
{ T'i^yd}*v
typedef T & reference; /;5U-<qf
} ; y5@#leM
template < typename T > hHA!.u4&
struct ref < T &> stxei
6
{ 6chcpP0
typedef T & reference; h2S!<
} ; 3{:AG,G
Y5mQY5u|
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: jpwR\"UJ
UTWchh
template < typename T > Tumv0=q4wd
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const "mk@p=d
{ DtEvt+h
return l(t) = r(t); ]u5B]ZQnA
} *s JT\J$D[
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。 gWk?g^KJL
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 0Y>5&
pseN!7+or
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 Fal##6B
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: {UeS_O>(
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 lIhP\:;S&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 g49G7sk
最后的布局是: !l6Ez_'
Add W(4Mvd
/ \ y
-6{>P/
Divide 5 k2 _i;v
/ \ cePe0\\
_1 3 6
4,('+
似乎一切都解决了?不。 ;OMR5KAz
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。 @GVONluyU`
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。 cy-o@U"s8
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: &u`]Zn
Ei HQ&u*
template < typename Right > #zf,%IYF
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 2`'g
9R
Right & rt) const ~:krJ[=
{ u+7S/9q8
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); REg&[e+%
} n[KL Y!
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 bmzY^ %a
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。 IgIM8"N
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。 .IU\wN
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。 PtTL
tiE~
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。 }/bxe0px
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? 1agNwFd~
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: F G:t2ea
yR3pK
0Y(?
template < class Action > mOC<a7#
class picker : public Action (- D^_*f
{ F$sDmk#
public : JW},7Ox
picker( const Action & act) : Action(act) {} ?S<`*O
+
// all the operator overloaded XN^l*Q?3n
} ; 56?RFnZ&j
%f?Z/Wn
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 fsjCu!
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: y9Q#%a8V
g:fkM{"{
template < typename Right > !AXt6z cZ
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const b!<\#[
A4
{ drQI@sPp
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); .fgVzDR|+
} >~;=
j~
r!<)CT}D
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > d iWi0@
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 OZR{+YrB^
( 5 BZZ
template < typename T > struct picker_maker L9$`zc
{ [xdi.6%
typedef picker < constant_t < T > > result; |}o6N5)
} ; cx~XG
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 8w$q4fg0
{ j4:Xel/
typedef picker < T > result; 60R]Q
} ; q4T98s2J
4 KX\'K
下面总的结构就有了: 4aiI&,
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 LO;?#e7
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ElA(1o|9I
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ES)@iM?5
至此链式操作完美实现。 bo-L|R&O
n_{az{~
`aDVN_h{6
七. 问题3 +QEP:#qZw
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ]]NTvr
vD^Uod1
template < typename T1, typename T2 > "-Yj~
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const yNhRh>l
{ e-Zul.m
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); @R_ON"h
} f+lPQIB
iN9G`qF3!Q
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: gtnu/Q
(DkfLadB
template < typename T1, typename T2 > w|1O-k`
struct result_2 Mi} .
{ n%6ba77
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 4-?zW
} ; ^kK% 8 u
OH 13@k
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? fXe$Ug|5a
这个差事就留给了holder自己。 #}lWM%9Dy
<Gna}ALkg
z22:O"UHa
template < int Order > (]` rri*^
class holder; -%dBZW\u2
template <> a%2K,.J
class holder < 1 > s o7.$]aV
{ t,u;"%go
public : qfX26<q
template < typename T > "QvTn=
struct result_1 N F,<^ u
{ CiV^bYi
typedef T & result; @R Jr
~y0
} ; r=/$}l4
template < typename T1, typename T2 > iS< ^MD
struct result_2 Q*hXFayx
{ "Hk7s+%
typedef T1 & result; SZUo RWx
} ; /E!N:g<
template < typename T > 7h.fT`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const J@OK"%12
{ Us.k,
return (T & )r; *c>B-Fo/D
} nkzH}F=<
template < typename T1, typename T2 > Q
ZC\%X8j
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const n1x"B>3
{ ]_j={0%
return (T1 & )r1; DkSs^ym
} Vg(M ^2L
} ; Iw^Q>MrT
k=cDPu -
template <> pqTaN=R8
class holder < 2 > R9Y@I
{ ];'7~",Y
public : z8XWp[K
template < typename T > /I((A/ks
struct result_1 yp[,WZt
{ .%!^L#g
typedef T & result; TT no
} ; kE :{#>[Uz
template < typename T1, typename T2 > OIIA^QyV
struct result_2 J0imWluhQ
{ tH~>uOZW
typedef T2 & result; 4bcd=a;
} ; ?E<9H/
template < typename T > \8g=
Ix
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const eL<jA9cJ9
{ ]57yorc`
return (T & )r; 0gGr/78
} ;XQ27,K&
template < typename T1, typename T2 > !zsrORF{
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const {
'402
{ @j"6f|d
return (T2 & )r2; `(ik2#B`}
} T2n3g|4
} ; S>)[n]f
%WC^aKfY
#h P>IU
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> >。 &F:.OVzX
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的:
2C1NDrS;}
首先 assignment::operator(int, int)被调用: %P{3c~?DH
3/PvH E{R
return l(i, j) = r(i, j); ` Z/ MQ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) e0#t
fZ&' _
return ( int & )i; ^KnK
\
return ( int & )j; BOh^oQh
最后执行i = j; B[q"oI`
可见,参数被正确的选择了。 @qYT/V*/
a6Joa&`dv
)\j
dF-s
!!ma]pB,
[9B1 %W
八. 中期总结 0OQ*V~>f
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: 2% /Kf}+
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 6`vW4]zu
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 m;A[2 6X
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor L^zh|MEyzk
hsT&c|
}dHdy{$
MTN*{ug2:
JypP[yQ
b dLi_k
九. 简化 6(BgnH8oc
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。 ^}{x).
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 #@xB ?u-0q
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: G%,
RD}D
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 z[ 'G"yCi
+-*/&|^等 $PI9vyS
2. 返回引用。 YRCs&tgs
=,各种复合赋值等 + ~5P7dh6
3. 返回固定类型。 nI&p.i6
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ,tcUJ}l
4. 原样返回。 89;@#9
operator, 6Ol9P56j
5. 返回解引用的类型。 H9PnJr8 \
operator*(单目) 1q@R04i
6. 返回地址。 X:I2wJDs\
operator&(单目)
jr_z
?
7. 下表访问返回类型。 .Zj`_5C
operator[] pkae91
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 A)V*faD
operator<<和operator>> 01n132k
Aq*?Q/pV
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 :e nR8MS
例如针对第一条,我们实现一个policy类: <9piKtb|L
lSW'qgh
template < typename Left > IM7<z,* oF
struct value_return z#ki# o
{ *z)gSX
template < typename T > ,[t?$Cy;
struct result_1 c{_JPy
{ \@WVeFr
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; dS3\P5D.*c
} ; 1+WVh7gF
i>]PW|]
template < typename T1, typename T2 > `}KxzD
struct result_2 w/(c}%v}=
{ '"\'<>Be
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; eBs.RR
]O
} ;
7s#8-i
} ; =JgR c7
R ZQH#+*t}
80_w_i +
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait *4Ldh}S!
16Jq*hKU
下面我们来剥离functor中的operator() 5lJL[{
首先operator里面的代码全是下面的形式: ^/#G,MxNy
-{k8^o7$
return l(t) op r(t) 83SK<V6
return l(t1, t2) op r(t1, t2) IQ~qiFCf
return op l(t) 9#@s(s
return op l(t1, t2) Ie!&FQe2