一. 什么是Lambda ":f]egq
-
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 fY6~Z
BvK
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, (k8}9[3G
+H28 F_#
G{I),Y~IF
5 5m\,UG7
class filler p!5'#\^f
{ )XHn.>]nc
public : U
E$Ix
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} XMiu}w!
} ; lB0`|UEb (
0)M8Tm0$
Rw|'LaW
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: v`{N0 R
x|O^#X(,
gq"d$Xh$x7
E7M_R/7@y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); >,E^ R `y
*\(z"B
* k<@
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 {0j_.XZ
[F'|KcE3
3%hq<
:PtZKt;~X
二. 战前分析 ~USt&?
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。 1Qu@pb^
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 |JP19KFx'B
7YR|6{@
y$_@C8?H
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &!OEd]
/* --------------------------------------------- */ H]pI$t3~
vector < int *> vp( 10 ); yIrJaS-
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Zk`yd8C
/* --------------------------------------------- */ 'E+"N'M|
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); bMGn&6QiP[
/* --------------------------------------------- */ "VZXi_P
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 );
o8Gygi5
/* --------------------------------------------- */ Dnl<w<}ZU:
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Pc_aEBq
/* --------------------------------------------- */ 76wNZv)9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); }f]Y^>-Ux
_'LZf=V0
-(t7>s
pF4Z4?W
看了之后,我们可以思考一些问题: ;8eKAh
1._1, _2是什么? __2<v?\
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。 P RWb6
2._1 = 1是在做什么? Qr9;CVW
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。 ?oFd%|I
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。 6,aH[>W
*<\K-NSL
Xv|=RNz
三. 动工 @phVfP"M
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 5,pNqXRp
e=WjFnK[x7
FO5a<6
REU,"
template < typename T > 3f] ;y<Km
class assignment D%abBE1
{ USEb} M`
T value; 0z8?6~M;<
public : Jsysk $R
assignment( const T & v) : value(v) {} L23}{P
template < typename T2 > w?8SQI,~X
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ;~EQS.Qp
} ; 5$:
toL
EU %,tp
^>?=L\[
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 !:^q_q4
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 3o%vV*
I70c,4_G
6e%@uB}$
8o$rF7.-
class holder eHuJFM
{ Bchv1KF
public : I I+y
template < typename T > WJ25fTsG
assignment < T > operator = ( const T & t) const 0RT 8N=B83
{ du66a+@t
return assignment < T > (t); Zgo~"G
} IHni1
} ; A~2)ZdAN
N)H "'#-
XP:A"WK"
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: ('tXv"fT
ZpV]X(Px(o
static holder _1; 7C|!Wno[;
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 4,e'B-.
z# ^fS
|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); AJ bCC
而不用手动写一个函数对象。 TI4Hu,rc
YV<y-,Io
,U z8 _r
#wI}93E
四. 问题分析 ?T/]w-q>
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 YQn<CjZ8af
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 "XR=P>
xk
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 wlT8|
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 STp9Gh-
下面我们可以对这几个问题进行分析。 L~Gr,i
#h5lz%2g
五. 问题1:一致性 `RL
Wr,h
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| uiVNz8H
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 L"qJZU
dU$VRgP/
struct holder Io1j%T#ZT
{ eQuu\/z*H
// 5#,H&ui\
template < typename T > Vxh39eW
T & operator ()( const T & r) const ]YgR
{ apo)cR
return (T & )r; An{>39{
}
/MGapmqV9
} ; ]JrD@ Vy
~U0%}Bbh
这样的话assignment也必须相应改动: Qt>K{ >9Cf
&-3e3)
template < typename Left, typename Right > K(EJ`2]:r
class assignment h2ROQKL"B
{ b=,BLe\
Left l; C/e.BXA
Right r; gV2vwe
public : 2:*15RH3
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} m,k0 h%
template < typename T2 > r5}p .
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Ti%MOYNCv
} ; ~_\Ra%
S6<o?X9,I
同时,holder的operator=也需要改动: ] pn
U"
|U%NPw5
template < typename T > IT| h;NUG
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const g8<ODU0[g
{ h>/teHy /
return assignment < holder, T > ( * this , t); ?zW'Hi
} A2|Bbqd
g:o/^_
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。 uNN/o}Qx
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 >jW**F
rNP;53FtZl
return l(rhs) = r; y, l[v39
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。 ;6G]~}>o
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: A{+/$7vek
UP-eKK'z
template < typename Tp > ]9oj,k
class constant_t /5NWV#-
{ =Z\q``RBy
const Tp t; 4uXGpsL
public : Dvg'
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} OrkcY39"~a
template < typename T > N]P~`)
const Tp & operator ()( const T & r) const gP%<<yl
{ Bhv;l/K])
return t; !> sA.L&=
} X-\$<DiJGv
} ; 9q`Ewj R
QVT0.GzR
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 e>MtDJ5
下面就可以修改holder的operator=了 2{ F-@}=
|]&3*%b@
template < typename T > LJeq{Z
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const #{6VdWZ
{ xWxHi6U(
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *~PB
} LIDi0jbrq
S5).\1m h[
同时也要修改assignment的operator() YWIA(p8Qkk
G*=HjLmZg
template < typename T2 > !VD$uT
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } (HAdr5
现在代码看起来就很一致了。 ygz2bHpD~
Zux L2W
六. 问题2:链式操作 ;]LQ}^MP(
现在让我们来看看如何处理链式操作。 $bE"3/uf
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。 EXSH{P O+
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。 Ku[q#_7
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。 LphCx6f,X
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct $<-a>~^Tp
OLG)D#m(4/
template < typename T > rmjuNy=(
struct result_1 =oSD)z1c?x
{ +L 09^I
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Ftyxz&-4$p
} ; zZ[kU1Fyv
`{#""I^_
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: AF:_&gF
3o rSk
template < typename T > Hcf"u&%
struct ref gW~YB2 $
{ a!o%x
typedef T & reference; 4-bM90&1t
} ; eEqcAUn
template < typename T > 0*MUe1{
struct ref < T &> w"v96%"Y
{ 8(? &=>@
typedef T & reference; ! Vl)aL
} ;
l7t
(6fD5XtS
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: -c>3|bo
Sstz_t
template < typename T > BsA4/Bf
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Bl>m`/\1i
{ ;1~ n|IY
return l(t) = r(t); nKE^km
} "/R?XCBZsb
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。 %qV:h#
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Ea4zC|;
`C4(C4u
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 >:.c?{%g*
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ^2dQVV.
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 x}ZXeqt{{
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 @0@WklAJA
最后的布局是: /R|?v{S1
Add Da<`|
l
/ \ @Mya|zb
Divide 5 B}7j20:Z
/ \ Ifp8oL? S;
_1 3 %0&,_jM/9
似乎一切都解决了?不。 1!zd#TX
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。 )7NK+k
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。 /K2[`+-
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: =o~mZ/ 7=M
c6jVx_tt.
template < typename Right > `"~GqFwy~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const |g hyH
Right & rt) const KEy8EB
{ 5Y;&L!T
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /\e_B6pF<
} p63fpnH
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 SEnr"}
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。 PC5$TJnj3
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。
qbc= kP
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 /{j._4c
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 yFm88
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? )W_akUL
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: /pRv
i>_(:
.8'c
c8
template < class Action > -I4@6vE,
class picker : public Action # ,H!<X;SS
{ r5Q#GY>
public : a,fcKe&B
picker( const Action & act) : Action(act) {} `j3 OFC{7E
// all the operator overloaded |a)zuC
} ; # a4OtRiI
F(j;|okf;
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 Ro{xprE1
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: O\!'Ds+gX
3K||(
template < typename Right > 1Y"9<ry
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const jjrE8[
{ ;P'5RCqj
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y{~`g(~9_A
} ;0|:.q
K:13t|
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ,5U[#6^
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 "kFNOyj3\
NVQ.;" 2w
template < typename T > struct picker_maker pSAtn
{ ,n%b~.$:v5
typedef picker < constant_t < T > > result; ,dd1/zm
} ; le_aIbB"P
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > bp" @p:
{ 'PrBa[%
typedef picker < T > result; GfSD%"
} ; h}tC+_"D
{ZdF6~+H(!
下面总的结构就有了: W NeBthq6
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。 \(`2 @
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。 Y9-F\t=~
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 e1b?TF@lz
至此链式操作完美实现。 Q e/XEW
+P9eE,WR
r(>812^\
七. 问题3 xxg/vaQt=s
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。 o/&K>]8M
gKQs:25
template < typename T1, typename T2 > Txl|F\nK`
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ;Y8>?
{ #I MaN%
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); v2r|)c,h
} wQ/.3V[
z&c}
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: com4@NK
}Z\S__\9
template < typename T1, typename T2 > *qYw
struct result_2 )n<p_vz
{ "\vQVZd-E
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ;,uATd|
} ; p,f$9t4
}%c>Hh
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? |Y6;8e`H
这个差事就留给了holder自己。 MtF^}/0w!`
=[:E
'
-9=>
template < int Order > O> _ F
class holder; qnQ".
template <> y8C8~ -&OK
class holder < 1 > 'C`Ykjf
{ *:+ZEFMq
public : _u;pD-
template < typename T > G$KQgUN~[
struct result_1 hi(e%da
{ cL%"AVsj
>
typedef T & result; >hSu1s:
} ; Jqgm>\y
template < typename T1, typename T2 > 0 ;)Q
struct result_2 - q(a~Ge
{ k;JDVRL
typedef T1 & result; -{C Gn5]_#
} ; ShlTMTgS
template < typename T > ,B_tAg4~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const o~CEja&(
{ )}"`$6:k`
return (T & )r; \b6{u6?+
} ~z]VDEJ{q
template < typename T1, typename T2 > `'5vkO>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z5F#r>> `
{ a[z$ae7
return (T1 & )r1; LXJ;8uW2y
} \Wg_ gA
} ; NX8hFwR
WI*CuJU<zJ
template <> 8lDb<i
class holder < 2 > V?0IMc
{ A)j!Wgs^z
public : ;/pI@Ck
template < typename T > `:EhYj.
struct result_1 TF!v ,cX
{ X<$DNRN
typedef T & result; -F*vN'
} ; Pw +nO
template < typename T1, typename T2 > ? EHheZ{
struct result_2 SYf1dbc..u
{ 3` oOoKX
typedef T2 & result; f9<"
} ; \RPwSx
template < typename T > gs/o cu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const z$d<ep{6
{ \o72VHG66
return (T & )r; -&]!ig5v
} l\Ww^
template < typename T1, typename T2 > D:IG;Rsc
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const M=&,+#z<V
{ f)a0 !U 44
return (T2 & )r2; KZ#\ >
} QS\wtTXj
} ; P zM yUv
<HN{.p{
S3WUccv
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> >。 Q (q&(/
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: cPAR.h,b?
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Y6)o7t
djw\%00
return l(i, j) = r(i, j); lsOfpJ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) xYW&Mfka
@^.W|Zh[&
return ( int & )i; VlL%dN;
0
return ( int & )j; QX<x2U
最后执行i = j; [.Kp/,JY
可见,参数被正确的选择了。 1kvs2
#,6T. O
u-:3C<&>
; Ad5Jk
,p(&G_
八. 中期总结 Ks6\lpr
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: /Yg&:@L
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 S ++~w9}
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 1 JIU5u)
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ?YS 3)
SA=>9L,2
M3|G^q:l
dkCUU
5E~^-wX
<LXx_{=:
九. 简化 xh9$ZavB*
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 >zL5*:G
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 m_Q&zp["
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: _!,
J iOI
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 q-_!&kDK"
+-*/&|^等 ^->S7[N?
2. 返回引用。 nu-&vX
=,各种复合赋值等 :E~rve'
3. 返回固定类型。 #RU8yT
各种逻辑/比较操作符(返回bool) m~Q24Z]!'&
4. 原样返回。 k1zK3I&c_
operator, j4#uj[A
5. 返回解引用的类型。 PR$;*|@
operator*(单目) ^i!6z2/
6. 返回地址。 v0E6i!D/
operator&(单目) |K-`
7. 下表访问返回类型。 |vGHh zZ|
operator[] a\}MJ5]
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 iQ2j ejd3(
operator<<和operator>> zUv#%Q8vw
6},[HpXRc4
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。 |m
?ZE:
例如针对第一条,我们实现一个policy类: fHH
Rc1k_fZ}
template < typename Left > 650qG$
struct value_return S 593wfc
{ g; ]'
template < typename T > PRTjXq6)5
struct result_1 324XoMO
{ &g^*ep~|#
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; <.gDg?'3
} ; >X05f#c"v/
pe+h8
template < typename T1, typename T2 > GbL1<P$V
struct result_2 9jEH"`qqk
{ L*A-&9.p3
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 0*rD'?)K+
} ; b"N!#&O