一. 什么是Lambda q6zKyOE
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?OdJt
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, "kkZK=}Nv
qW t 9Tr
0
hS(9y40
Jc, {n*
class filler 8\rHSsP
{ pu5-=QN
public : LYp=o8JW|
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} QiQO>r
} ; 'fIirGOl
-\~D6OA
]y<<zQ_fhY
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: zP#%ya:I
^
,yh384
;T?4=15c
I~NQt^sg
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); p Yaq1_<+
]z5gC`E0
Xw<N nvz6
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 "~aCW~
X5wYfN
roE*8:Y
*m`KY)b=l
二. 战前分析 Auf2JH~
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。 L
}&$5KiwV
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 VD- 2{em
/]"2;e-s+
O)9{qU:[b
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); kV3Zt@+
/* --------------------------------------------- */ ?#_] Lzn'
vector < int *> vp( 10 );
B!+`km5
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ;c;PNihg
/* --------------------------------------------- */ yXL]uh#b
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); mdPEF)-
/* --------------------------------------------- */ PV/SzfvIq
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); mqb6 MnK -
/* --------------------------------------------- */ pTk1iGfB
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); :{KoZd
/* --------------------------------------------- */
i;8tA!
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &[4lP~
K(B|o6[
gv,8Wo
:s`\jJ
看了之后,我们可以思考一些问题: _T[m YY
1._1, _2是什么? d}RR!i`<N
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 4]3(Vyh`
2._1 = 1是在做什么? 'hl4cHk14
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 A?/(W_Gt^M
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 1VC:o]$
q/HwcX+[b
uQlQ%n%
三. 动工 tN:PWj5
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: FZ^j|2.L*
V+2C!)f(
JJ$q *
a'2^kds
template < typename T > #Jqa_$\.
class assignment Q`7.-di
{ Gw)>i45:
T value; )Y}8)/Pud
public : 9WhZ=
Xk
assignment( const T & v) : value(v) {} hIv8A_>@`
template < typename T2 > jsOid5bs
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } =vZF/r
} ; jjrhl
amH..D7_>
%\2w
1
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 26Jb{o9Z<
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment .y~vn[q N
Z&E!m
.#[==
uWE
:3
class holder \ tx4bV#
{ 3/q)%Z^=
public : QBI;aG<+b>
template < typename T > ,aBo
p#
assignment < T > operator = ( const T & t) const
BHa'`lCb
{ -%eBip,'yl
return assignment < T > (t); rr=e
} pZg}7F{$
} ; nD51,1>
^*=.Vuqy
08TeGUjJ
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: A%$ZB9#zQ
lmRdl>
static holder _1; s35`{PR
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 aX$Q}mgb
[|!A3o
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); K7CrRT3>6
而不用手动写一个函数对象。 H<`<5M 8
;9rS[$^$O
"bC1dl<
*P.Dbb8vn
四. 问题分析 !ENDQ?1
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。 3pF7}P
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。 k Z>Xl- LV
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 $|V@3`0
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 @ysc?4% q
下面我们可以对这几个问题进行分析。 awic9uMH
BQ7p<{G
五. 问题1:一致性 H]x-s
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| %P2l@}?a
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 =
olmBXn/
5m]N%{<jAB
struct holder iir]M`A.-
{ . h7`Q{
// Z/f%$~Ch
template < typename T > ,'f^K!iA
T & operator ()( const T & r) const E kvTl-
{ AYP*J
return (T & )r; t.`&Q|a
} Gjh8>(
} ; <X b B;
_vV3A3|Ec,
这样的话assignment也必须相应改动: v{[:7]b_=
^f%hhpV@
template < typename Left, typename Right > Sb& $xWL
class assignment zY=eeG+4s
{ vk&6L%_~a
Left l; ^I CSs]}1
Right r; Y%1 94fY$
public : -0>gq$/N=^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} KW1b #g%Z
template < typename T2 > }@XokRk
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } qG<3H!Z!ky
} ; Lq6R_udp
[ <,i}z
同时,holder的operator=也需要改动: +M=`3jioL
]9P2v X
template < typename T > #@3&1}J/
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ^.HvuG},O
{ Ok V*,n
return assignment < holder, T > ( * this , t); 7H l>UX,|
} -$2a@K,i
,|RN?1 ?U
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。 L]kd.JJvy
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 G8t9Lx
!w;oVPNg
return l(rhs) = r; 00-cT9C3
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。 psFY=^69o
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: rd:WF(]
^kO+NH40
template < typename Tp > F!_8?=|
class constant_t ``?79 MJ5
{ d^(7\lw|
const Tp t; `i:DmIoz
public : 9>6DA^
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} rV_i|
template < typename T > s ]XZQr%
const Tp & operator ()( const T & r) const /
:z<+SCh
{ $&~moAl
return t; 2t,N9@u=UN
} qC x|}5:
} ; U5RLM_a@M
>_J9D?3S
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 SIridZ*%
下面就可以修改holder的operator=了 $Vp*,oRL
MfA@)v
template < typename T > h4#y'E!,Z
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const F(?O7z"d
{ -Lhq.Q*a
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); B{ A b#
} QJ,[K_
5(=5GkE)>
同时也要修改assignment的operator() o"!C8s_6
XU y[l
template < typename T2 > ,6EhtNDu
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } teKx^ 'c'
现在代码看起来就很一致了。 *671MJ9
, UsY0YC
六. 问题2:链式操作 i$5<>\g
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ]?6Pt:N2
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 &.l^> #
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 hGy[L3{
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 DYDeb i6
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct F1)5"7f
8g0VTY4$jP
template < typename T > r@a]fTf
struct result_1 lz7?Z
{ }6_*i!68"U
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Lc#GBaJ
} ; .0Kc|b=w
YSh@+AN
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: 0,/I2!dF?
jQrj3*V
template < typename T > 85T"(HhT
struct ref yT~rql
{ ~ \]?5
nj
typedef T & reference; l+a1 `O
} ; L</k+a?H!
template < typename T > RY
.@_{
struct ref < T &> .He}f,!f<
{ ^6On^k[|fw
typedef T & reference; "g,`K s ];
} ; xG(xG%J
mCyn:+
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: D3B]
J= [D'h
template < typename T > yAiO._U
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const kV+%(Gl8
{ c'.XC}
return l(t) = r(t); lvsj4cT
} bp!Jjct
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。 O 9C&1A|lA
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 eaAGlEW6J
eIJ>bM
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 Bd]k]v+
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: /%mT2
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ,v<7O_A/e
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ]rG/?1'^i
最后的布局是: RR+{uSO,t
Add B[k=6EU8k
/ \ ,$} xPC
Divide 5 ]OtnekkK$
/ \ ]"&](e6*
_1 3 4[(NxXH8M
似乎一切都解决了?不。 I>GBnx
L
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。 rz0)S
py6
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。 B[I9<4}
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: [j}JCmWY
=EYWiK77a
template < typename Right > z2>LjM)
#
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const [!De|,u(^
Right & rt) const 57~y 7/ 0
{ Ptc+ypTu
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); D4b-Y[/"
} VV{>Kq+&,v
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 RA!q)/+
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。 /5<= m:
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。 8t3m$<7
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 <.mH-Y5i
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 R
RE8|%p;B
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? Sbl = U
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: n)~*BpL3
u0GHcpOm
template < class Action > `BQv;NtP
class picker : public Action Z\$M)e8n
{ u&w})`+u5
public : "M, 1ElQ
picker( const Action & act) : Action(act) {} pI:,Lt1B
// all the operator overloaded .faf!3d
} ; \{}dn,?Fv
N+ak{3
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 0-uw3U<
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ,3!$mQL=
*E*oWb]H
template < typename Right > 'Oj 1@0*0
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const TF%Xb>jy[
{ X@"G1j >/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); mU]VFPr5
} [ /YuI@C,@
.L+XV y
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > wk ^7/B
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。 >{N}UNZ$}
c:.~%AJx
template < typename T > struct picker_maker ^nK<t?KS
{ fd4C8>*7G
typedef picker < constant_t < T > > result; #1/~eIEY
} ; F#>00b{Q
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > gfs ;?vP
{ zGFD71=#
typedef picker < T > result; Z6rhInIY
} ; MoE&)~0u&
(c>g7d<>n
下面总的结构就有了: W&=OtN
U!
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 UrHndnqM
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 +ID\u
<?
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 59O-"Sc[
至此链式操作完美实现。 o//h|f U@
b,^Gj]7
'Y /0:)
七. 问题3 ?+))J~@t
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 D3yTN"
+rJ6DZ
template < typename T1, typename T2 > ."H;bfcL_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~L"$(^/
{ $'%GB $.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]
\M+j u
} `XhH{*Q"X
qx'0(q2Ii(
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: "bIb?e2h9G
X+C*+k,z
template < typename T1, typename T2 > ~%8P0AP
struct result_2 SfnQW}RGI
{ QJ3#~GYNr
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; oX;.v9a
} ; N^dQX,j
HJ]xZ83pC
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? f4h~c
这个差事就留给了holder自己。 R7/S SuG6\
4%^z=%
{_Wrs.a'8
template < int Order > *^uK=CH1?(
class holder; n&njSj/
template <> ~<?Zj
class holder < 1 > TIKkS*$
{ *3H=t$1G}
public : uhh7Ft#H
template < typename T > Y>8Qj+d
struct result_1 Qz,2PO
{ c1"wS*u
typedef T & result; =3.dgtH
} ; wX0D^)NtF
template < typename T1, typename T2 > UPI- j#yc
struct result_2 "5&"Ij,/
{ ^o{{kju
typedef T1 & result; tL$,]I$1+
} ; I&{T 4.B:U
template < typename T > [zx|3wWAX-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const l S)^8
{ {+WBi(=W
return (T & )r;
E.h
} pM?~AYWb
template < typename T1, typename T2 > oI;ho6y)
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const |n/;x$Cb
{ E{<#h9=>
return (T1 & )r1; t,?,T~#9
} 2%sZaM
} ; (dq_,LI
o]q~sJVk6
template <> u]Ku96!
class holder < 2 >
6sBt6?_T
{ m ol,iM*l
public : zr/v .$<
template < typename T > Y"H`+UV
struct result_1 1zPS#K/3
{ @."K"i'Bl
typedef T & result; w.q`E@ T*
} ; hzsQK_;S
template < typename T1, typename T2 > 2iG+Ek-?"
struct result_2 )X0=z1$
{ MY,~leP&
typedef T2 & result; ~HB#7+b
} ; <= o<lRU
template < typename T > ,c&u\W=p
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const |9jK-F6
{ x95s%29RS
return (T & )r; p^pd7)sBr
} e*2^
template < typename T1, typename T2 > '2.ey33V
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const AioW*`[WjA
{ ij$NTY=u
return (T2 & )r2; ubM1Q r
} ZaYiby@Ci
} ; g8Ex$,\,
,Z~`aHhr
!T,<p
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> >。 x4I!f)8Q
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: tnJ7m8JmC
首先 assignment::operator(int, int)被调用: F9
r5 Z
h9QM
nH'
return l(i, j) = r(i, j); SaXt"Ju,AH
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) EHwb?{
gD9CA*
return ( int & )i; -TF},V~
return ( int & )j; l zFiZx
最后执行i = j; WqA)V,E
可见,参数被正确的选择了。 uOA/r@7I}S
k+9F;p7
g>VtPS5 y
HPt3WBRzS;
z\m$>C|
八. 中期总结 U4"^NLAq
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: |8'}mjs.Q
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 L<!h3n
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 b-_l&;NWg
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor AwZ@)0Wy
&V?+Y2
nLm'a_
ZWCsrV*;
a fa\6]m
*:CTIV5N0
九. 简化 !igPyhi,hl
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 @&m [w'tn
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 NPH(v`
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: v@{y}
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 rN&fFI
+-*/&|^等 ^aB;Oo
2. 返回引用。 g$uiwqNA%
=,各种复合赋值等 wO,qFY
3. 返回固定类型。 +S~ u ,=
各种逻辑/比较操作符(返回bool) jr`T6!\
4. 原样返回。 ]Ozz"4Z
operator, E{Wn&?i>A
5. 返回解引用的类型。 k9
r49lb
operator*(单目) c +]r
6. 返回地址。 I0F[Z\U
operator&(单目) t\/H. Hb
7. 下表访问返回类型。 E<yQB39
operator[] (d&" @
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 4BMu0["6|s
operator<<和operator>> wo&IVy@s$
"o--MBq4
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&V 7n
例如针对第一条,我们实现一个policy类: +PYV-@q
/(~
HHN nh
template < typename Left > Nf4@m|#
struct value_return Vx!ZF+
{ I%4eX0QY=z
template < typename T > dcrvEc_/
struct result_1 =#2%[kG q
{ NN7KwVg
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; &- p(3$jn7
} ; ~~{lIO)&