一. 什么是Lambda -~(0O
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 RR~sEUCo{
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, r21?c|IP
o7c%\v[
_ bXVg3oDt
v|4STR
class filler `eMrP`
{ b[{m>Fa+o#
public : (opROsFh
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} r+[#%%}ea
} ; DU/9/ I?~
:Bx+WW&P.i
4DQ07w
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: AND7jEn
LT,iS)dY+
eHVdZ'%x
2p$n*|T&c
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); oglXW8
Q-!
i$#-
"xe7Dl
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 >~`Y
LCo1{wi
G?Qe"4
.
N<L$gw+)$D
二. 战前分析 ILkjz^
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; 3
R;
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 #6*V7@9]3|
8_^'(]
)^jQkfL
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !7:EE,W~
/* --------------------------------------------- */ $\0cJCQ3
vector < int *> vp( 10 ); ^#a#<8Jz
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 4&FNU)tt
/* --------------------------------------------- */ w$DG=!
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); D 7Gd%
/* --------------------------------------------- */ q*HAIw[<y
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); g6rv`I$l
/* --------------------------------------------- */ 5S&aI{;9<
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' );
~hS .\h
/* --------------------------------------------- */ J>f
/u:.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); E0sbU<11
i:l80 GK
gzl%5`DB w
GIl:3iB49
看了之后,我们可以思考一些问题: pu\b`3C(
1._1, _2是什么? Q;XXgX#l
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 Am2*-
2._1 = 1是在做什么? X?KGb{
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 '4J&Gp x
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 /'-:=0a
@;||peU
,$HHaoog
三. 动工 f?2zLE>u
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 3cmbK
w0#%AK
zSEr4^Dk4
bZxv/\
template < typename T > 5/Ydv
RB67
class assignment *
zd.
{ {&u Rd?(
T value; u=(H#o<#
public : V%i<;C
assignment( const T & v) : value(v) {} F?!FD>L{`
template < typename T2 > uEBQoP2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } {;U} :Dx
} ; f&K}IM8& #
_Mlhumt
RI?NB6U
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ]a8eDy
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 4DvdEt
ymHKcQ
!$xzAX,
7}gA0fP9
class holder #g,H("Qy({
{ TLy;4R2Nn
public : SO7(K5H,
template < typename T > P<8LAc$T
assignment < T > operator = ( const T & t) const O2C6V>Q;
{ L+_8QK <
return assignment < T > (t); pH^ z
} 4 uShM0qa
} ; 2%bhW,?I
RTA%hCr!
6!@0VI&P
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: cnbo+U
6{L F-`S%
static holder _1; D4d]3|/T
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 o.v2z~V
Ks|gL#)*Ku
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Yi[4DfA
而不用手动写一个函数对象。 5qGGu.$Ihi
{K+.A 9!
B.El a
*}7U`Aa
四. 问题分析 !`Le`c
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。 " l.!Ed
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。 [
ynuj3G
V
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Ohc^d"[7
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 |%-YuD
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ej<`CQ
2f `&WUe
五. 问题1:一致性 tO7I&LNE
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?| $%B5$+
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 j+nv=p
f:S}h-AL&
struct holder )t5;d
{ @Zj&`/
// z[*zuo
template < typename T > R#D#{cC(
T & operator ()( const T & r) const YKNb59k
{ _OLI%o
return (T & )r; GZ
<nXU>
} NfOp=X?Y
} ; C]M7GHe1q
@bE~@4mOu
这样的话assignment也必须相应改动: X`D+jiQ(f
<;aJ#qT
template < typename Left, typename Right > ,2,W^HJ
class assignment 6vF/e#},
{ .5]{M\aA
Left l; ]b> pI;
Right r; 7r['
public : 72u db^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ;sCU[4
template < typename T2 > xuF5/(__
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } {79qtq%W{
} ; [#>{4qY2
$3]b>v
同时,holder的operator=也需要改动: &/iFnYVhy
{!MVc<G.
template < typename T > "U*5Z:8?9
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const O<>#>[
{ V'C-'Ythwf
return assignment < holder, T > ( * this , t); K0v.3
} IyOpju)?
puA|NT
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 SYeE) mI
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 6Etss!_
l0. FiO@_Q
return l(rhs) = r; -w\M-wc/$
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。 P,U$ %C!
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: m9woredS,
e$32
template < typename Tp > Hv8H.^D>
class constant_t -<PC"B
{ Hsgy'X%om
const Tp t; obj!I7
public : *<xrp*O
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} R3Ee%0QK
template < typename T > K?[)E3
const Tp & operator ()( const T & r) const 4~Dax)
{ 05"qi6tncz
return t; 7=vYO|a/4
} MUB37
} ; JN|VPvjE
SOs,)
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4#7Umj
下面就可以修改holder的operator=了 ZtR&wk
rFfy#e
template < typename T > *Q5x1!#z#
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const vtZ?X';wh
{ d/lffNS=
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); -;U3w.-
} 6rT4iC3Q{
V_f`0\[x
同时也要修改assignment的operator() 5 < GDW=
;y OD
template < typename T2 > AEqq1A
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } >(3'Tnu
现在代码看起来就很一致了。 U!0E_J
{+Sq<J_`M
六. 问题2:链式操作 NpR6
现在让我们来看看如何处理链式操作。 nj
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。 Ye@t_,)x
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。 &[~[~m|
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。 )88nMH-
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct nE7JLtbH
o:9$UV[
template < typename T > [ f34a
struct result_1 :".w{0l@
{ (u9Zk~)F
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; r[!(?%>j
} ; :<%vE !$
CV3DMA
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: [e1L{ _*l
UJn/s;$.e
template < typename T > I7zn>^0}
struct ref VaJfD1zd1
{ H(&Z:{L
typedef T & reference; 11{y}J
} ; NnOI:X {
template < typename T > `pm>'
struct ref < T &> o%qkq K1
{ c3W
BALdh
typedef T & reference; gl
"_:atW
} ; CL1;Inzl
bjzx!OCpV
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: F.
T@)7
"-0;#&!
template < typename T > eM }W6vIn
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ,C:o`fQ\
{ 4U{m7[
return l(t) = r(t); ~-<:+9m
} v20~^gKo=m
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。 mf2Mx=oy
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 pBU]=[M0
Rsn^eR6^
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 Z
Xb}R^O-
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: iC*U $+JG
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 3]`mQm E
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 8K^f:)Qw
最后的布局是: I4~^TrznRa
Add ?!7
SzLll
/ \ G=cNzr9
Divide 5 2LK]Q/WG,+
/ \ S_5?U2%D
_1 3 r0Z+RB^I
似乎一切都解决了?不。 Ux_<d?p
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 OL9]*G?F
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Nf5WQTa4
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: ! TDD^
@yKZRwg
template < typename Right > jsdBd2Gdc
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 0'@u!m?
Right & rt) const ohsH 2]C
{ =G>.-Qfs
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); PG"@A
} 1i+FL''
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ytz8=\p_b
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Pgev) rh[
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 x.\XUJ4x
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 oLP]N$'#
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。 Ut_mrb+W
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? 6|oWaA\gI
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: +c r
EzpwGNfz }
template < class Action > a2X h>{
class picker : public Action /{R3@,D[]
{ PGY9*0n
public : 8}z3CuM
picker( const Action & act) : Action(act) {} j6og3.H-
// all the operator overloaded HEpM4xe$
} ; 5qiI.)
[Auc*@
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。 OHhs y|W
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: 17i$8
1MV@5j
template < typename Right > R'Eq:Rv~;^
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const F"=Hp4-C
{ DM'qNgB7
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); J|q^+K
} M5 `m.n<
ngLJ@TP-
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > xx0k$Dqt2I
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。 v~`*(Hh
[?I/Uo8
template < typename T > struct picker_maker pw;r 25
{ Of#K:`1@
typedef picker < constant_t < T > > result; 8 ?" Ze(
} ; _25d%Ne0
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > CrO`=\
{ FF3&Y^+^"
typedef picker < T > result; 8sWr\&!
} ; 6y9C@5p}B
3`ml;
L?D
下面总的结构就有了: yp?w3|`4;
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。 \=Nm5:
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。 '+6<U[ L
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 EIPnm%{1
至此链式操作完美实现。 Q ]0r:i=
.
qPUA!-'
wn1,
EhHt
七. 问题3 hbH#Co~o4#
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。 "8?TSm8
Vq U|kv
template < typename T1, typename T2 > =+4 _j
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const .v\PilF
{ ]/[0O+B?
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]'e AO
} }biCQ*{'
e z+yP,.#
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: |e+aZ%g
N2% :h;tf
template < typename T1, typename T2 > /L$NE$D} "
struct result_2 ~ttKI4
{ A'`P2Am
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 3AvcJ1
} ; fQ1 0O(`g,
POY=zUQ'/
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? ,$ mLL
这个差事就留给了holder自己。 ^1Yo-T(R
Z>&K&ttJ
?l>e75V%w
template < int Order > .X^43
q
class holder; .c03}RTC^
template <> '(XW$D
class holder < 1 > gLV^Z6eE
{ MorW\7-}
public : ff[C'
template < typename T > L*v93;|s
struct result_1 v/x*]c!"`
{ /XN*)m
typedef T & result; =:;YTie
} ; 4V1|jy3
template < typename T1, typename T2 > &%}bRPUl
struct result_2 I IYL A(
{ }Py<qXH
typedef T1 & result; zQn//7#-G
} ; M{G$Pk8[
template < typename T > V.U|OQouT
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const EtJD'&
{ vmMV n-\#
return (T & )r; <jg8y'm@0
} e`vUK.UoW
template < typename T1, typename T2 > SK}HXG{?
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 1ZKz3)K
{ V!\n3i?i
return (T1 & )r1; "\}21B~{7'
} 2}59 7Hb
} ; !\3}R25
1O|RIv7F[/
template <> A<a2TXcIE3
class holder < 2 > ~T;K-9R
{ RsR] T]4
public : Q.*'H_Y
template < typename T > P"2Q&M_/
struct result_1 t]gq+ c Lo
{ W6)dUi
:"
typedef T & result; 9t.fij
} ; ~>.awu+o|
template < typename T1, typename T2 > fp,1qzU[k
struct result_2 vI4%d,
{ SIj6.RK
typedef T2 & result; (/To?`
} ; u=1B^V,6V
template < typename T > 2LtU;}7s
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const :v|r= #OI
{ iXt4|0
return (T & )r; O_qu;Dx!
} u Eu6f
template < typename T1, typename T2 > F+lm [4n
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const D!81(}p
{ ;bUJ+6f:
return (T2 & )r2; )6PJ*;p-
} f0:EQYYZ
} ; XfD
z
#
bjU 2UcI"<
Z5"!0B^ j
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> >。 zpBBnlq
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: >OF:"_fh
首先 assignment::operator(int, int)被调用: >DSNKU+j
-wPuml!hZ|
return l(i, j) = r(i, j); #
|[`1
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) COxZ
Q
R^mu%dw)(%
return ( int & )i; zav*
return ( int & )j; kKFuTem_3
最后执行i = j; Pu/-Qpqh
可见,参数被正确的选择了。 V{7lltu
c,g]0S?gu
> Z.TM=qj
|SSfG~r
I@y2HxM
八. 中期总结 <lg"M;&Ht
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: eG[umv.9b
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 < -@,
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 \N'hbT=
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor H|UV+Q0,
e+d6R[`M
F3H:I"4
~/]\iOL
;T"m[D
]$XBd{\D{
九. 简化 mcP{-oJ0W
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 j?Jd@(*y$
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 yNb#Ia
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: :yFTaniJ'.
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 p;c_<>ws-Y
+-*/&|^等 Qw{\sCH>
2. 返回引用。 Nd]%ati?
=,各种复合赋值等 >M8^Jgh
3. 返回固定类型。 &t9XK 8S
各种逻辑/比较操作符(返回bool) jl 30\M7
4. 原样返回。 "p6:ekw
operator, )N%1%bg^-
5. 返回解引用的类型。 "0!eb3n
operator*(单目) cfy/*|
6. 返回地址。 5@r_<J<>
operator&(单目) ^8f|clw"
7. 下表访问返回类型。 6\S$I5
operator[] 9L)&n.t1
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 #%=vy\r
operator<<和operator>> %gne%9nn
4LB9w21
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 7}iewtdy,
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 0[$Mo3c+'
/Mi-lh^j-
template < typename Left > JK'_P}[]I
struct value_return ;&t1FH#=
{ v[3hnLN%
template < typename T >
+y{93nl
struct result_1 {eD>E(Y@z1
{ OV@h$fg
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; j
O5:{%
} ; 65`'Upu
xjn8)C
template < typename T1, typename T2 > l_q>(FoqA
struct result_2 (k)gZD9~{?
{ lj SR?:\
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; g#KToOP
} ; lh(+X-}D
} ; s2' :&5(
glKs8^W
@ !O&b%8X%
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait {;(g[H=q;
^D>M Dj6
下面我们来剥离functor中的operator() vdFQf ^l
首先operator里面的代码全是下面的形式: p7=^m>Z6
(+Nmio
return l(t) op r(t) jv#" vQ9A]
return l(t1, t2) op r(t1, t2) U=cWvr65
return op l(t) *d,n2a#n5
return op l(t1, t2) g]#zWTw(
return l(t) op OD@A+"
return l(t1, t2) op F]&J%i
F[
return l(t)[r(t)] !CMVZf;u
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] |u@>[*k'=
4.kkxQR7r
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: @LMV ?
单目: return f(l(t), r(t)); UmI@":|-
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); \iLd6Qo_aq
双目: return f(l(t)); cZK?kz_Y
return f(l(t1, t2)); Ko1?jPE
下面就是f的实现,以operator/为例 z'}t@R#H
SrU
struct meta_divide SD.*G'N&2f
{ e$+? v2.
template < typename T1, typename T2 > (L
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) b({b5z.A
{ 3eDx@8N
}
return t1 / t2; `DY4d$!4
} fq!6#Usf;i
} ; =&G|} M
#7:9XID /
这个工作可以让宏来做: {1&,6kJF&9
RX|&