一. 什么是Lambda ofm#'7P 0
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 v[1aWv:
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, ssfr}fzH
(A9Fhun
<^#,_o,!
TM%|'^)
class filler
akp-zn&je
{ 9X}10u:
public : I|qo+u)
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} V?6a8lJ
} ; P3x8UR=fS
wr$("A(
f%][}NN)Xr
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: DX#Nf""Pw
Ag-(5:
we;-~A5J
9+Np4i@
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); fDv2JdiU
luh$2 \5B
3c-GY:VkLM
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 8W*%aOi5+
L+b6!2O,
$*^7iT4q_t
f\|w'
二. 战前分析 BX`{73sw
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。 Ua:}V n&!
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 X-bcQ@Oj
ZF!h<h&,
Ytn9B}%o
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); NVkV7y X]
/* --------------------------------------------- */ ~[t[y~Hup
vector < int *> vp( 10 ); 3#LlDC_WC
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Z@4Arfl
/* --------------------------------------------- */ uy>q7C
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); is?{MJZ_
/* --------------------------------------------- */ (~p<
P+
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); {:/#Nc$5
/* --------------------------------------------- */ m+=] m_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); yuh *
/* --------------------------------------------- */ E^B'4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); x+\`gK5
A#e%^{q$
9)l$ aBa
k
R?qb6
看了之后,我们可以思考一些问题: Ki;*u_4{
1._1, _2是什么? A7%)~z<
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。 tj' \tW+s'
2._1 = 1是在做什么? {a =#B)6
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。 pIc#L>{E
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。 p?02C#p
= }~hWL
D(~U6SR
三. 动工 em y[k
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: _qF+tm
x'8x
8'[~2/
,V7nzhA2
template < typename T > ncaT?~u j
class assignment Lc}LGq!
{ 4VHn \
T value; kXViWOXU^
public : 0Fq}
N
assignment( const T & v) : value(v) {}
2IK}vDsis
template < typename T2 > P?%s
#I:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Q3 ea{!r
} ; aEB_#1
91/Q9xY
A@`}c,G
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 C2!|OQ9A2
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment }H53~@WP>
RTYvS5G
!M(xG%M-V
p#-Z4- `
class holder )705V|v
{ <NMEGit
public : _YRFet[,m
template < typename T > )+#` CIv
assignment < T > operator = ( const T & t) const u* eV@KK!
{ {FI&^39
F$
return assignment < T > (t); Y/F6\oh
} =F|{#F
} ; O2V
6bg
;q(*7
~g91Pr
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: =nHUs1rKn
gt)I(
static holder _1; }{Pp]*I<A
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 1er
TldX
2Ah#<k-gC;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); %UrueMEO
而不用手动写一个函数对象。 `bq<$e
hPB9@hT$
+Ze}B*0
:
$1?i)
四. 问题分析 ,)cM3nu
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 #~]zhHI
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 @mCEHI{P
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 b=C*W,Q_#
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 h'llK6_)
下面我们可以对这几个问题进行分析。 <_L,t 1H{
]h`&&B qt
五. 问题1:一致性 e+7"/icK
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| j^sg6.Z*
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 J3V=
46Yc
tAd%#:K
struct holder P8:dU(nlW
{ 5Pc;5
o0C
// mthA4sz
template < typename T > ktXM|#
T & operator ()( const T & r) const N{!i=A
{ P= BZ+6DS
return (T & )r; 6Igz:eX
} /KaZHR.
} ; !qQl@j O
%A/0 '
这样的话assignment也必须相应改动: u/0h$l
*8 A
template < typename Left, typename Right > }0*@fO
class assignment Tk[ $5u*,
{ W+c<2?d:
Left l; [85spub&}
Right r; O/(`S<iip
public : x8B}ZIbT9
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 3pROf#M
template < typename T2 > B"w?;EeV.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Z clQ
} ; 7aRi5
$)i")=Hy
同时,holder的operator=也需要改动: FX&~\kmV'j
F,F4nw<W
template < typename T > 2jItq2.>
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const eKgBy8tNS0
{ ,-LwtePJ0
return assignment < holder, T > ( * this , t); tY<4%~%X
} U}[d_f
{<p?2E
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 xt*
3'v
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ~W'{p
,-c6dS
return l(rhs) = r; #G|RnV%t$~
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。 /Iy]DU8
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: wssRA?9<
I*{nP)^9
template < typename Tp > %XDc,AR[
class constant_t uBKgcpvTs
{ 2;`1h[,-^
const Tp t; ZF8 yw(z
public : AT3cc
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} V7Lxfoa4
template < typename T > \ZFGw&yN
const Tp & operator ()( const T & r) const Qj.#)R
{ N^G
Mp,8
return t; qJs<#MQ2
}
Y_IF;V\
} ; bHYy }weZ
D,*3w'X!K
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 wE>\7a*P%
下面就可以修改holder的operator=了 [A~xy'T
~"H,/m%2o
template < typename T > VBGuC c/
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const l`{\"#4
{ %6,SKg p
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); k68T`Ub\W6
} faX#**r
LVfF[
同时也要修改assignment的operator() Lc,Pom
]L $\
#
template < typename T2 > hGe/;@%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } K~{$oD7!
现在代码看起来就很一致了。 )h4f\0
M61xPq8y5
六. 问题2:链式操作 [< ?s?Ci
现在让我们来看看如何处理链式操作。 A*2jENgci
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。 )3}9K
^jS
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。 =E4LRKn
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。 9'giU r
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct <tNBxa$gS
4<Utmr
template < typename T > kk@fL
struct result_1 61>.vT8P
{ |(E
FY\
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; F=e8 IUr
} ; 9gDkTYkj
T{.pM4Hd
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ColV8oVnU
m)t;9J5
template < typename T > :Zbg9`d*
struct ref OJuG~euy
{ <I\/n<*
typedef T & reference; y<|7z99L
} ; { ]{/t-=
template < typename T > Lv;^My
struct ref < T &> {_[N<U:QT&
{ ^e _hLX\SW
typedef T & reference; @s;;O\
} ; HZC"nb}r4
v!6
c0a
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: v\gLWq'
F3@phu${
template < typename T > 5h=}j
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const .+3g*Dv{&
{ a`E#F]Z
return l(t) = r(t); ooj,/IEQ
} M#4pE_G
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。 &tLgG4pd
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ;~)5s'
x:NY\._
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 |^"1{7)
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: WdH$JTk1
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 {l1.2!
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 h6D<go-b56
最后的布局是: ArI2wM/v
Add pHXm>gTd,J
/ \ ~*&H$6NJS
Divide 5 SuJ aL-;
/ \ +K:Dx!9
_1 3 {0Yf]FQb-a
似乎一切都解决了?不。 RNEp4x
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 h,u,^ r
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 <sGVR5NR
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: / |;RV"
17%,7P9pg
template < typename Right > ^B.5GK)!
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const :1.L}4"gg
Right & rt) const ~rqCN,=d
{ 36&e.3/#
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); B:yGS*.tu
} In"ZIKaC
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 hc(#{]].
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 I#Y22&G1
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 XSwl Tg
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 e\`&p
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 ?DS@e@lx
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? .]Y$o^mf
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: ~OYiq}g
JQ_sUYh~3
template < class Action > zOAd~E
class picker : public Action iJ)_RSFK
{ I3{PZhU.
public : \g&,@'uh
picker( const Action & act) : Action(act) {} 2G& a{
// all the operator overloaded vFzRg5lH
} ; `!3SF|x&
$ZhFh{DQ.
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 >W=,j)MA
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 1Z/(G1
e9Wa<i8
template < typename Right > R3)~?X1n
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +5g_KS
{ xA2YG|RU=b
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); HYD'.uj
} ]NQfX[
: %_LpZ
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > /Y:sLGQLD
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 G/y5H;<9M
!]A
template < typename T > struct picker_maker Hp|kQJ[L E
{ [NjXO`5#]
typedef picker < constant_t < T > > result; T8?Ghbn
} ; T#T*Zw"+
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > e-})6)XgA
{ XFVE>/H
typedef picker < T > result; +[6G5cH
} ; "=HA Y
@(EAq<5{
下面总的结构就有了: jKz$@gP
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。 V@.Ior}w
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。 p#ZCvPE;uH
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >jDDQ@
至此链式操作完美实现。 W 8<&gh+
{ T/[cu<
(R,#a *CV
七. 问题3 Fk&c=V;SU
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。 ].avItg
5ORo3T%
template < typename T1, typename T2 > f=+mIZ
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 9 &dtd
{ xWH.^o,"
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); v4!VrI
} MVpGWTH@F
!NK1MU?T)
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: xJpA0_xfG
?d\N(s9F
template < typename T1, typename T2 > \{_q.;}
struct result_2 ''cInTCr
{ d"1]4.c
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ql Ax
} ; J/`<!$<c
^do9*YejX;
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? f#>,1,S
这个差事就留给了holder自己。 djl*H
#Qw0&kM7I
.fqN|[>
template < int Order > c1(RuP:S
class holder; o+iiSTJEe
template <> soB,j3#p'*
class holder < 1 > @,j*wnR
{ @f>-^
public : b}$+H/V
template < typename T > oi7@s0@
struct result_1 E:_ZA
{ nt;m+by
typedef T & result; 3)wN))VBX
} ; b<[Or^X
]
template < typename T1, typename T2 > f].h^~.q
struct result_2 PA{PD.4Du
{ dw>C@c#"
typedef T1 & result; _gR;=~S
} ; KJUH(]>F
template < typename T > (*9$`!wS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const C\3rJy(VJ
{ /|m2WxK)
return (T & )r; S&5&];Ag
} H\" sgoJ
template < typename T1, typename T2 > Wx%H%FeK
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const kOrZv,qFG[
{ S/hQZHZHg,
return (T1 & )r1;
Ux!p8
} `6(S^P
} ; IVnHf_PzF
B N5[,J
template <> %bn jgy
class holder < 2 > h|9L5
{ RZ?jJm$
public : \[i1JG
template < typename T > `,*3[
struct result_1 CT<7mi!
{ lN
4oW3QT
typedef T & result; fCn^=8KOZ
} ; r| wS<cA2
template < typename T1, typename T2 > s-!ArB,
struct result_2 e(;,`L\*
{ z]y.W`i
typedef T2 & result; ~8Fk(E_
} ; =!A_^;NQf
template < typename T > %g$o/A$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \ A#41
{ Q~]uC2Mw
return (T & )r; F`W?II?
} c9
eM/*:
template < typename T1, typename T2 > Oc0a77@
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const U[-o> W#
{ i v38p%Zm
return (T2 & )r2; :uS\3toj
} :gibfk]C
} ; /)>3Nq4Zx
Ms#M+[a
"Qc7dRmSxm
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> >。 1~_{$5[X?
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: a$OE0zn`
首先 assignment::operator(int, int)被调用: X=&ET)8-Y
`UyG_;
return l(i, j) = r(i, j); '3tCH)s
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) FIhk@TKa
(*'f+R`$
return ( int & )i; &-6Gc;f8
return ( int & )j; 2 c{34:
最后执行i = j; %3-y[f
可见,参数被正确的选择了。 ,AFu C<
9G5rcYi
%JBz5G
-zgI_u9=EB
skViMo
八. 中期总结 u'DRN,h+
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: xGg )Y#
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 - % h.t+=U
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 :U%W%
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ;bib/
8qTys8
I"<\<^B<
s} ;{ZAtE
?Ep [M:,q
K=k"a
九. 简化 n
M*%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。 m}t`FsB.
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 WX?IYQ+
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: k$R-#f;
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 #OD/$f_
+-*/&|^等 K7:)nv
E
2. 返回引用。 -;m0R
=,各种复合赋值等 q,|j]+9q
3. 返回固定类型。 l<LI7Z]A
各种逻辑/比较操作符(返回bool) !)0;&e5
4. 原样返回。 d.d/<
operator, Id .nu/
5. 返回解引用的类型。 pJ"qu,w
operator*(单目) M`!H"R 7
6. 返回地址。 P@Oo$ o
operator&(单目) l'. VKh\C
7. 下表访问返回类型。 "(~^w=d:$
operator[] cf20.F{<
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 7'V@+5
operator<<和operator>> u0c1:Uv#~e
_op}1
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。 6iE<T&$3P
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 9IfmW^0
~KX/
Ai
template < typename Left > q ^N7I@Y
struct value_return >W+%8e
{ ~IBP|)WA-
template < typename T > qiBVGH
struct result_1 :>f )g
{ @,7GaK\
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; k)=s>&hl
} ; 3ym',q
9-a0 :bP
template < typename T1, typename T2 > '$(^W@M#6
struct result_2 L48_96
{ ,j_i?Ff
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; CxW>~O:
} ; g@!V3V
} ; YZ8>OwQz2
vw/J8'
`e&Suyf4B
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait G}raA%
}V`"s^
下面我们来剥离functor中的operator() sBg.u
首先operator里面的代码全是下面的形式: %pL''R9VF
0znR0%~
return l(t) op r(t) _8UU'1d
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 'S&zCTX7j
return op l(t) wE`]7mA
return op l(t1, t2) 16( QR-
return l(t) op !F'YDjTot
return l(t1, t2) op wc4{)qDE
return l(t)[r(t)] V6X 0^g
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] rw JIx|(
Ioa$51&
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: jLm ;ty2;
单目: return f(l(t), r(t)); .[OUI
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); MKi0jwJM
双目: return f(l(t)); 2uW;
xfeY
return f(l(t1, t2)); iz PDd{[
下面就是f的实现,以operator/为例 z$. 88^
u `6:5k
struct meta_divide /7F:T[
{ E*K;H8}s
template < typename T1, typename T2 > 6?Ji7F
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) xfe+n$~ c
{ &B1Wt