一. 什么是Lambda hF7V !*5
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 X"hOHx5P
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, iO%Zd[
G *mO&:q
qa
6=W
^i{,z*vi
class filler ilDJwZg#
{ < -Hs<T|tW
public : :b<-[8d&
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} < 72s7*Rv
} ; Yl)eh(\&J
ERp:EZ'
0(Y%,q
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: A+0T"2
Ud>`@2
!sg%6H?}
$xRo<,OV+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); zQL!(2
UfK4eZx*`
X+`ddX
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 4r_!>['`"
uIYcmF\?
gq
H`GI
(oLpnjJ(,
二. 战前分析 9"WRI Ht'c
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Fy 4Tvg
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 *oEv ,I_
`j"4:
?gd'M_-J,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); z6p#fsD
/* --------------------------------------------- */ ,3VG.u;U
vector < int *> vp( 10 ); H<V+d^qX\w
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); D-Bv(/Pz]$
/* --------------------------------------------- */ 51&|t#8h
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); vn|TiZ
/* --------------------------------------------- */ dzgs%qtK
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); PzIy">plm
/* --------------------------------------------- */ pGY [f@_x-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Y[f,ia
/* --------------------------------------------- */ 2yl6~(JC+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); \#
7@a74
>lA7*nn
?D1x;i9<
jv*Dg (
看了之后,我们可以思考一些问题: pZu?V"R
1._1, _2是什么? CHPL>'NJzc
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。 IM[54_I
2._1 = 1是在做什么? AU0$A403
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ow-+>Y[qZ
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 ZvUp#8x(3
P-[fHCg~
V)2"l"Kt
三. 动工 zTkFX67)
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: `ifb<T
:_MP'0QP
?O!]8k`1$
$TR=3[j
template < typename T > :L]-'\y
class assignment /pO{2[
{ K1;zMh
T value; |$M@09,F"
public : !-KCFMvT
assignment( const T & v) : value(v) {} HvAE,0N
template < typename T2 > 2y^Uk,g
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } H9sZR>(^
} ; $b4*/vMr
P\.WXe#j
.H
Fc9^.*
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 $X`bm*
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Mg#`t$u
e%pu.q\gK
%'$f ?y
Z/xV\Ggx
class holder MO[c0n%
{ SrSG{/{
public : y= 2=DU
template < typename T > 5RW@_%C
assignment < T > operator = ( const T & t) const NI^{$QMj
{ b([:,T7
return assignment < T > (t); ]F*|U`
} |drf"lX<{
} ; R'Sa?6xS4
<sa #|Y$
yU *u
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: %=y;L:S\p
F@g17 aa
static holder _1; [C~fBf5
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 hl`u"?rg
Xc{ZN1 4n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Og+)J9#
而不用手动写一个函数对象。 >Q&CgGpW$
b~1iPaIh
%WZ$]M?q
_0w1kqW
四. 问题分析 `q^(SM
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。 %yeu"
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。 { AFf:[G
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 'Cg V0&@
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 V>6QPA^
下面我们可以对这几个问题进行分析。 B<Ol+)@,}
qbH%Hx
五. 问题1:一致性 U4]30B{;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?| X)8e4~(?
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 |ribWCv0
gglf\)E;}E
struct holder B4@fY
{ XWJ SLN(O
// 2bkJ /u`i
template < typename T > VDG|>#[!
T & operator ()( const T & r) const &0s*PG
{ lbd(j{h>4
return (T & )r; X2LV&oi
} >$Fp}?xX
} ; UnP|]]o:I
00"CC
这样的话assignment也必须相应改动: /\d(c/, 4
rjXnDh]MC
template < typename Left, typename Right > *u}'}jC1X
class assignment '|_/lz$h
{ MBlBMUJk
Left l; 2R\+}
Right r; 7"#f!.E
public : d)\2U{
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} |88CBiu}
template < typename T2 > uj)yk*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } dbCNhbN(
} ; Oc#>QZ3
W8y$Ve8m
同时,holder的operator=也需要改动: GtC7^Z&E
=)(0.E
template < typename T > C\OECVT
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const pp<E))&R
{ o OQ'*7_
return assignment < holder, T > ( * this , t); ;>8kPG
} vmLpmxS
fa4=h;>a+
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。 5}
G:D
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。
,%kmXh
0t+])>
return l(rhs) = r; 7|Xe&o<n
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。 g>_OuQ|c
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: b;*c:{W)
_H8*ReFG
template < typename Tp > PYu$1o9+N
class constant_t 1\y@E
{ w763zi{
const Tp t; Od-Ax+Hp
public : WtVf wC_
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} /9Z!p
template < typename T > M1EOnq4-
const Tp & operator ()( const T & r) const #~S>K3(
{ *!w25t
return t; 68p R:
} F{\=PCZ>7
} ; @y5= J`@=
0yaMe@&,
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 NJm-%K
下面就可以修改holder的operator=了 2QL?]Vo
\sITwPA[z
template < typename T > ' Rc#^U*n
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Z%OW5]q
{ e}e6r3faz
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); {yS;NU`2
} WFem#hq
7E\g
&R.
同时也要修改assignment的operator() 8ljuc5,J
uFo/s&6K
template < typename T2 > lm*g Gy1i
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2T?TM! \Q
现在代码看起来就很一致了。 0<Q*7aY
z&F5mp@
六. 问题2:链式操作 +?Ez}
BP
现在让我们来看看如何处理链式操作。 7h`^N5H.q
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 '60//"9>k/
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 `;cz;"
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 :3O5ET'1
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct eF5;[v
^BiPLQ
template < typename T > GyK(Vb"h6
struct result_1 q/x/N5HU
{ #A )Ab%r8"
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 7]Rk+q2:
} ; -=mwy
VE$t%QT
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: j8a[
(
g YUTt
template < typename T > (v^Z BM_
struct ref "mA1H]r3
{ Zi*%*nX
typedef T & reference; Oyan9~
} ; |IN[uQ
template < typename T > d@ (vg
struct ref < T &> AG>\aV"b
{ o0mJy'
typedef T & reference; |'$ l7
} ; ?oKL&I@
ve fU'
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: n"Z |e tZ4
Y{+3}drJE
template < typename T > *)D1!R<\,R
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const :j,}{)5=
{ kP^*hO!%
return l(t) = r(t); CmHyAw(
} w.^yP7:
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。 +?AW>&68y
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ``4?a7!!
p9iu:MucD<
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 V;;#/$oU:4
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: U=QA e
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 w
&
P&7
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #U"1 9@|}
最后的布局是: NzlAC
Add Ao"C<.gUYP
/ \ kceyuD$3G
Divide 5 ]r959+\$
/ \ 8UM0vNk
_1 3 nNQ-"t
似乎一切都解决了?不。 ShGp^xVj
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 ) EXJ
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ]0-<>
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: vQHpf>o
{SdO9Yy?@7
template < typename Right > FmD +8=
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const VB"(9O]
Right & rt) const iRve)
{ ix*muVBj.
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); tvpN/p
} 0T9.M(
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 "
"%#cDR
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 LGVlc@0'
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 1-o V-K
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ArXl=s';s4
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 O{q&]~,
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? vRr9%zx
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: I`^Y Abnb
}-nU3{1
template < class Action > H~Uq?!=b
class picker : public Action :1_mfX
{ +t"j-}xzE
public : g>n0z5&TNF
picker( const Action & act) : Action(act) {} ri=+(NKo-
// all the operator overloaded >rf5)Y~f
} ; wW5Yw
i
i/$SN-5}1
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。 B*79qq
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: C6^j#rl
5[R?iSGL1
template < typename Right > MLS;SCl
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const u)~s4tP4
{ ab4LTF|
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y[G9Vok
VX
} [W;[v<E;
^yVl"/
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 1;&T^Gdj
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。 nk/vGa4
|GuEGmR
template < typename T > struct picker_maker (/?R9T[V&^
{ hY=I5[*
typedef picker < constant_t < T > > result; (>AFyh&3,X
} ; Dbz]{_Y;
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 38Efp$)
{ X| <yq
typedef picker < T > result; BX3lPv
} ; i0ybJOa4
[cpNiw4e
下面总的结构就有了: L|\Diap
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ~gdd cTp
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 'n4u-pM(nB
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 I7G,`h+H
至此链式操作完美实现。 Ekjf^Uo
])N%^Qe$U
%wL,v.}
七. 问题3 .@k *p >K
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。 KyLp?!|>
MZ~.(&
template < typename T1, typename T2 > ug&92Hdvy3
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ny1 \4C
{ 8R4qU!M
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Sk=N [hwU
} w~N-W8xNR
jdlG#j-\
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: 7zGMkl
a5V=!OoMk
template < typename T1, typename T2 > o5 WW{)Q
struct result_2 7#pZa.B)k
{ }4h0bI
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; j@ v-|
} ;
TQ' e
7cw]v"iv
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? KB+]eI-h
这个差事就留给了holder自己。 o](.368+4
ps+:</;Z
)4uq
iA6
template < int Order > y<M]dd$
class holder; XKSX#cia
template <> q%S8\bt
class holder < 1 > xR}of"
{ K)5;2lN,
public : q[c Etp28h
template < typename T > 5-w: c>
struct result_1 9h&yuS'Yj
{ |!Ists
typedef T & result; A.U'Q|
} ; @vAFfYU9<.
template < typename T1, typename T2 > rPO}6lsc
struct result_2 `qu]Pxk
{ x'i0KF
typedef T1 & result; #LWg" i
} ; wPH+n-&e
template < typename T > <25ccE9^c
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const VDiOO
{ DL4iXULNY
return (T & )r; ?Aw3lH#:
} 0N5bPb
template < typename T1, typename T2 > !Uy>eji}
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const f3n~{a,[
{ u[EK#%
return (T1 & )r1; yjpz_<7a=
} f_'"KF[%
} ; -tyaE
r*Z_+a8
template <> >76 |:Nq
class holder < 2 > <Uwwux<v
{ U>A6eWhH
public : ImHU:iR[J-
template < typename T > PbEQkjE
struct result_1 JqEb;NiP)5
{ UkfA}b^@v
typedef T & result; b1)\Zi
} ; v,0<9!'v
template < typename T1, typename T2 > 7d9Z/J@>
struct result_2 /7vE>mSY
{ 0WXVc
typedef T2 & result; **HrWM%?8o
} ; E9R]sXf8
template < typename T > L*^
V5^-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .vaJ Avg
{ 8&?p
return (T & )r; BS.=
} C P&o%Uc*
template < typename T1, typename T2 > K?YEoz'y[
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const {aIZFe}B
{ dEET}s\
return (T2 & )r2; R@$+t:}
} FfSI n3
} ; r=\P!`{5
`oXg<tivU
t=
*Jg/$
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> >。 ;qb Dbg
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: y/\ZAtnLo
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ;sQ20 B'
pN+I]NgQ
return l(i, j) = r(i, j); H &fTh
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) nl9kYE
[
c(&AnIlS
return ( int & )i; rkIMM,
return ( int & )j; |0]YA
最后执行i = j; dk:xnX%
可见,参数被正确的选择了。 rXDJ:NP
@ExLh9
zzE]M}s
b"3uD`
y($EK(cb
八. 中期总结 3P`WPph
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: G<fS(q
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 6VFirLd
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 UOJ*a1BM
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Y{j7Q4{
<(?'
s9
oN ;-M-(
pU@YiwP"]x
L6xB`E9
V8T#NJ
九. 简化 S*s:4uf
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。 J@gm@ jLc
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 "u5KbJW
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: $E @ouX?
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 jJ<;2e~OW
+-*/&|^等 (gDQ\t@3-
2. 返回引用。 ;t~*F#p(!
=,各种复合赋值等 lJlhl7
3. 返回固定类型。 $':JI#
各种逻辑/比较操作符(返回bool) sX!3_'-
4. 原样返回。 G
~A$jStm
operator, L9$&-A9ix
5. 返回解引用的类型。 Qxky^:B
operator*(单目) Fr2kbQTg;
6. 返回地址。 W7$s5G,
operator&(单目) y,V6h*x2
7. 下表访问返回类型。 9u?Eb~#$
operator[] VZTmzIk.Y
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 X'xUwT|_+
operator<<和operator>> n_1jHJo
/Bh>
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。 @Jm.HST#S8
例如针对第一条,我们实现一个policy类: {x9j_/R
R qnWtE
template < typename Left > @]E]W#xAn
struct value_return W
w^7^q&
{ aU4R+.M7@
template < typename T > }\DAg'e)
struct result_1 , !r@9T
{ *|^,DGfQ6
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ;}UzJe ,S
} ; L,WkJe3
'V1!&Q