一. 什么是Lambda !1uzX
Kb
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 qsg>5E
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, 7=*VpX1
|H ;+1
7XyOB+aQO
p11G#.0
class filler i3
)xX@3
{ v&MU=Tcqi
public : r5/R5Ga^
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} u>Ki$xP1
} ; ZZ)G5ji
9|S` ub'
5QWNZJ&}d
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: `HX3|w6W;
u=qPzmywt
H "+c)FGi
R.1Xst &i
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); (=T$_-Dj`}
i!MwBYk
c/u_KJFF-n
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Eb.;^=x
Dr"/3xm
y>(rZ^y&
nb@" ?<L!
二. 战前分析 4^!4eyQ^
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。 w&lZ42(mF
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 5su.+4z\
f(u&XuZ
]RFdLV?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); g<[rH%\6fg
/* --------------------------------------------- */ E:VGji7s
vector < int *> vp( 10 ); <uF [,
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); _q Tpy)+
/* --------------------------------------------- */ <4D%v"zRP
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); hr U :Wr
/* --------------------------------------------- */ X_70]^XL
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); mPmB6q%)]
/* --------------------------------------------- */ \].J-^=
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ?B4#f!X
/* --------------------------------------------- */ SQKt}kDbM
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); =2oUZjA
D&[Z;,CHMA
[{PqV):p
E5B8 Z?$a
看了之后,我们可以思考一些问题: H(\V+@~>AD
1._1, _2是什么? R^Bk]
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。 } 21j
2._1 = 1是在做什么? .u< U:*
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。 '>^Xqn
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。 ~5t?C<wo
xtJAMo>g
_IYY08&(r
三. 动工 t>U!Zal"
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: gEKO128
qB JRS'6'9
XU#,Bu{
/Antb6E
template < typename T > .k]#XoE
class assignment z/vDgH!s
{ org*z!;.
T value; r69WD
.
public : cTj~lO6
assignment( const T & v) : value(v) {} BQ#jwu0e
template < typename T2 > MCAXt1sL&E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; }
hh&Js'd
} ; $'$>UFR
q 22/_nSC
B+D`\ Nl o
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 z]>9nv`b
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment nO@+s
F
KF$ %q((
+{xG<Wkltz
1b`G2?%
class holder ?-{IsF^
{ |!5@xs*T
public : Fd"WlBYy0
template < typename T > /\~W$.c
assignment < T > operator = ( const T & t) const '
C6:e?R
{ T{~M iC6A
return assignment < T > (t); 0|Q.U
} Spc&X72I
} ; 36i_D6
;@'0T4Z&l
t>@yv#
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: G 4"lZM
*cy.*@d
static holder _1; T]X{@_
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 6)+9G_
r
&c_4%y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); UNY@w=]<
而不用手动写一个函数对象。 ;;6\q!7`
"DzGBu\
7rPLnB]
S
`wE$so>
四. 问题分析 ,@,LD u
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。 KY8^BjY@
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。 j>V"hf
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Bx%=EN5.
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 0c-QIr}m
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2:n|x5\H
,FS?"Ni
五. 问题1:一致性 T*p|'Q`
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?| _dY:)%[]
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 o8mo=V4j
$;ch82UiX
struct holder Xv]*;Bq:SK
{ #VQ36pCd
// % M+s{ l
template < typename T > pV_}Or_
T & operator ()( const T & r) const \4C)~T:*
{ zAu}hVcW
return (T & )r;
Ckw83X
} S{Rh'x\B
} ; H.)fOctbO
IS .g);Gj
这样的话assignment也必须相应改动: t0+t9w/fTP
@],Z 2
template < typename Left, typename Right > [6tR&D#K
class assignment G@;Nz i89
{ S q.9-h%5
Left l; *j/uihY
Right r; M44_us
public : ?TRW"%
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} mMga"I9
template < typename T2 > MyK^i2eD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } -Zttj /K
} ; G|<] Ma9x
_J+]SNk
同时,holder的operator=也需要改动: il=?o f\,i
'/n\Tg+
template < typename T > Xk
5oybDI
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const @_G` Ok4
{ rK*hTjVn
return assignment < holder, T > ( * this , t); m]E o(P4+
} ,&-S?|
jg7d7{{SB
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。 `x5ll;"J
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 $Gr4sh!cE
}FuVY><l
return l(rhs) = r; v4X_v!CQ
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 _QD/!~O
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: yIM.j;5:~5
yl[2et
template < typename Tp > qT
5WaO)
class constant_t X9p+a,
{ aA7S'[NjB
const Tp t;
R>^5$[
public : 1{= E?
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ;D6x=v=2
template < typename T > @2QJm
const Tp & operator ()( const T & r) const wEZqkV
{ p!. /
return t; F%w\D9+P
} E
`?S!*jm
} ; &;'w8_K"^
W,0KBkkp
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 8/Lu'rI
下面就可以修改holder的operator=了 ajf_)G5X P
[^cs~
n4
template < typename T > ")fOup@ ^a
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const PEMxoe<+
{ bEBZ!ghU
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); /<(R
} $Vd?K@W[h
l6r%nHP@
同时也要修改assignment的operator() [N'r3
cL-6M^!a
template < typename T2 > .N?|t$J
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } E&}H\zt#
现在代码看起来就很一致了。 $Ui]hA-:?y
{jq^hM!TEy
六. 问题2:链式操作 9aW8wYL~b
现在让我们来看看如何处理链式操作。 R4hav
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。 7Y| Wy
Oq
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。 #g5't4zqx
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。 "j*fVn
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 0Og/47dO.2
o{s4.LKK
template < typename T > %Z-Tb OX
struct result_1 Yj|c+&Ng
{ &lO Xi?&"
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; D3,t6\m
} ; LR
8e|H0
1\"BvFE*E~
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: s>[vT?
P}w^9=;S
template < typename T > $Qx(aWE0
struct ref M%nZu{
{ V}3~7(
typedef T & reference; Dg ?Ho2ih
} ; XFLjVrX[
template < typename T > ?STI8AdO
struct ref < T &> #t5JUi%in*
{ >d1aE)?
typedef T & reference; _dH[STT
} ; |\yDgs%EGy
oW\Q>c7
=
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: rzc 3k~@
% B7?l
template < typename T > AZBY, :>D
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ]G$!/vXP
{ ;NvhL|R
return l(t) = r(t); lcuH]z
} {Hrr:hC
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。 OP\^c
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 O~c+$(
tPMgZ
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 r;5 AY
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ]VO,}
`
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 0^|$cvYiL
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 .1l[l5$
最后的布局是: w|3fioLs
Add x&6i@ Jl
/ \ 7D9h;gsP
Divide 5 A=l?IC@O
/ \ <#J<QYF&2
_1 3 Z:}2F^6
似乎一切都解决了?不。 xq#]n^
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。 0Zp<=\!;
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。
.*clY
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: 42H#n]Y
-qr:c9\px
template < typename Right > g*\v}6
h
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const oGU.U9~!
Right & rt) const o 2$<>1^
{ d<^6hF
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ~T{d9yNW1
} UVvt&=+4
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 _s=Pk[e
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 ZS
7)(j$.
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。 ))we\I__8
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。 5,I*F9[3
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。 u]++&~i
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? Vo58Nz:%
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: K;(|v3g6
Lu u-c<*M
template < class Action > ^AC+nko*
class picker : public Action NJz*N%VWD
{ WA)lk>(+
public : N'q/7jOy
picker( const Action & act) : Action(act) {} u6CMRZ$
// all the operator overloaded !15@M|,OL
} ; !IrKou)/_
5juCeG+Z
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。 sC'A_ -'
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: ,YuWz$aF{
+HVG5l
template < typename Right > wNlV_
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 'e8d["N
{ \H'CFAuF
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); IcNI uv
} l.LFlwt
!&:.Uh
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > A 'P}mrY
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 R,k[Kh
~S<F
template < typename T > struct picker_maker qy0_1xT-
{ 1\9BO:<K
typedef picker < constant_t < T > > result; {:q9:
} ; #'{PYr
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > laIC}!
{ fn"jYSy
typedef picker < T > result; xsypIbN
} ; 2%, ' }Bus
W,eKQV<j
下面总的结构就有了: "{1}
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 fCo2".Tk
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 r E*u
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 c`[uQXv
至此链式操作完美实现。 BsG[#4KM:
KARQKFp!C>
'c\TMb.
七. 问题3 b|C,b"$N0
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。 XdXS^QA.s
"7u"d4h-:(
template < typename T1, typename T2 > H@bmLq
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 7'l{I'Z
{ x#xO {
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ?p\II7
} /[|md0,
;$&5I9N
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: \<+47+
[(ib9_`A'1
template < typename T1, typename T2 > Hw-oh?=
struct result_2 x)Om[jZE
{ 5~TA(cb5
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; tfU3 6PR
} ; /3HWP`<x
fP4IOlHkE
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? a5g{.:NfO
这个差事就留给了holder自己。 RwLdV+2\R`
^oZs&+z
,lG wW8$R
template < int Order > ?;kc%Rz
class holder; =kkA
template <> 0BZOr-i
class holder < 1 > #~qp8
w
{ D&lXi~Z%.
public : lfG&V +S1
template < typename T > wtick~)
struct result_1 [~%;E[ky$
{ V$%Fs{
typedef T & result; n`2"(7Wj
} ; 5/VB'N#7s
template < typename T1, typename T2 > nylIP */
struct result_2 A>,fG9pR
{ +mF 2yh
typedef T1 & result; aD`e]K ^L
} ; zU=[Kc=$
template < typename T > Ljs(<Gm)-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const JA2}
{ ^bw~$*"j#
return (T & )r;
vX )Y%I
} ap_+C~%+
template < typename T1, typename T2 > ^ x#RUv
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const KTREOOu .t
{ S~9kp?kR$
return (T1 & )r1; w3hL.Z,kV
} G+yz8@
} ; ~_\2\6%1^n
QU;C*}0Zl
template <> ~Q\uP(!D
class holder < 2 > { J%$.D(/
{ DcM+K@1E4^
public : `SbX`a0p2
template < typename T > T$B4DQ
struct result_1 ~x\Q\Cxp
{ @WE$%dr
typedef T & result; mM%BO(X{=
} ; K\r=MkA.>
template < typename T1, typename T2 > g9Qxf% }
struct result_2 nUu|}11 (
{ , |B\[0p
typedef T2 & result; &BR?;LD
} ; XfDQx!gJ
template < typename T > <]`2H}*U'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const <GR: 5pJ%
{ r+yLK(<zp
return (T & )r; .Cd$=v6
} !ry+ r!"
template < typename T1, typename T2 > PQ|x?98
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const :G)x+0u
{ 4s2ex{$+MA
return (T2 & )r2; hkc_>F]Hx
} Nd)o1{I
} ; ?*dx=UI
ps
J 1J
j>M%?Tw
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> >。 cK/odOi
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: >U.uRq
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 8# AXK{
PUo&>
return l(i, j) = r(i, j); .
2Q/D?a
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 7K4%`O
,~w)@.
return ( int & )i; 06O
return ( int & )j; 0\;a:E.c
最后执行i = j; &"0[7zgYQz
可见,参数被正确的选择了。 )Jn80~U|1
Q)8t;Kx
7 4UE-H)
XcneH jpR
$*ZHk0
7x
八. 中期总结 PUArKBYM-
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 1(a\$Di
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 u'][3
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 .;s4T?j@w
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ak&v/%N
hR{Zh>
EpMEA1=&
~;` #{$/C&
6dlPS{H#U
1j(,VW
九. 简化 =jh:0Q<43+
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。 [Xg"B|FD0
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ('oUcDOFTS
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 ASn\z
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ?a(3~dh|
+-*/&|^等 ay.IKBXc
2. 返回引用。 Rl8-a8j$f.
=,各种复合赋值等 Q0q$ZK6C
3. 返回固定类型。 sP7 (1)\
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 2e=Hjf
)
4. 原样返回。 $4]PN2d&
operator, gd*?kXpt
5. 返回解引用的类型。 9x\G(w
operator*(单目) @TDcj~oR?
6. 返回地址。 FT=>haN
operator&(单目) 3dLz=.=)'
7. 下表访问返回类型。 J>Ha$1}u/
operator[] f|)t[,c
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 NST6pu\,U
operator<<和operator>> ~Otf
" <
T~E83Jw
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 /|f]L9)2<
例如针对第一条,我们实现一个policy类: e^TF.D?RS
+V^_ksi\
template < typename Left > 6iC:l%|u
struct value_return h'+ swPh
{ }rZp(FG@*
template < typename T > 9OBPFF
struct result_1 &rubA
{ &9>d
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; :z7!X.*
} ; :h@:F7N _
?9cy5z[
template < typename T1, typename T2 > b :00w["
struct result_2 JZ
[&:
{ L`v,:#Y
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; I(SE)%!%S
} ; |)?T([
} ; U$}]zaB
w.\:I[
th{h)( +H
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait vP!gLN]TV
oZCO$a
下面我们来剥离functor中的operator() HYS7=[hv6
首先operator里面的代码全是下面的形式: !RI&FcK
8*X8U:.0o
return l(t) op r(t) K"61i:F
return l(t1, t2) op r(t1, t2) q!4dK4`#5
return op l(t) {H74`-C)W
return op l(t1, t2) 0Qz
\"gr
return l(t) op yI)2:Ca*
return l(t1, t2) op v*pVcBY>
return l(t)[r(t)] RD^o&