一. 什么是Lambda `p2+&&]S
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 n\*!CXc
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, |)(VsVG&
E&2OD [iX
S4Y&
u)}$~E>
class filler UC]\yUK1J
{ 0IBhb(X
public : K,+LG7ec
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ~A'!2
} ; }`%*W`9b
J&W)(Cf
|$8~?7Jv
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: c;Pe/ d
7z JRJ*NB
Yc_8r+;(
p<2L.\6"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 2^h27A
6dabU*
J8uLJ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 v+46QK|I&
:XZU&Sr"
tn(JC%?^
+B B@OW
二. 战前分析 s4A43i'g!h
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。 *>7 >g"
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 z> Rsi
j*so9M6|c
$'BSH4~|.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Pg,b-W?n*
/* --------------------------------------------- */ dJJP3}M/
vector < int *> vp( 10 ); Q=;U@k@>
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); &"f";
/* --------------------------------------------- */ n}F&1Z
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); JTO~9>$ B
/* --------------------------------------------- */ de.&`lPRf
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); nAW:utTB
/* --------------------------------------------- */ %b&".mN
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); l{I6&^!KS
/* --------------------------------------------- */ ($au:'kU
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); x$5) ^ud?
Rdvk
ml@@
vQosPS_2L
I`-8Air5f
看了之后,我们可以思考一些问题: 5na~@-9p
1._1, _2是什么? Uc7mOa}4
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 @XLy7_}
2._1 = 1是在做什么? `Q|*1
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 (eI5_`'VC
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 JjPKR?[>
*X'Y$x>f
adCU61t
三. 动工 `^u>9v-+'
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: XG{{ 2f
$$|rr G
Cn'(<bl
"-e
\p lKj
template < typename T > G18F&c~
class assignment sqEI4~514
{ R "n5
T value; ^U
`[(kz=
public : [~-9i&Z
assignment( const T & v) : value(v) {} q)LMm7
template < typename T2 > X 0WJBEE
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } |n+qMql'
} ; ^o^H3m
6t>.[Y"v
HW3 }uP\c
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。
)j9SGLo
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment hL/)|N~
xSktg]u Se
m+`fn;*
O@u?h9?cf>
class holder ]op}y0
{ 7mI:|G
public : t[ubn+
template < typename T > QS%%^+E2
assignment < T > operator = ( const T & t) const HJLu'KY}
{ M2PAy! J
return assignment < T > (t); `NCwK6/i
} CJ1 7n
} ; fsJ9bQm/
QQ%D8$k"
]RPs|R?
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: ;YA(|h<
|SoCRjuCPM
static holder _1; }YB*]<]
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 $bW3_rl%X
rSZd!OQ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); g[1gF&
而不用手动写一个函数对象。 F~T]u2qt
}Mst jm
}#L^! \V}
SX<` {x&L
四. 问题分析 iP
=V8g?L
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 d74d/l1*{
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 2)G
%)'
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 9!6f-K
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 j/R[<47
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Ja,wfRq
s3~lT.
五. 问题1:一致性 -m)X]]~C
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| pOGeruu?
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 v=0(~<7B
gRCdY8GH
struct holder 6g|*`x{
{ d ^^bke$~
// C`$n[kCJ
template < typename T > l n{e1':$"
T & operator ()( const T & r) const 8K.R=
{ Id_2PkIN$~
return (T & )r; r"C
}
#bUXgn>
} ; YM1'L\^
TT2d81I3m
这样的话assignment也必须相应改动: "3Uv]F
!Fca~31R'
template < typename Left, typename Right > &|Bc7+/P
class assignment A#Iyb){Y
{ tz5e"+Tz
Left l; W=j[V
Oq
Right r; k`So -e-
public : CLRiJ*U
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} kjg~n9#T
template < typename T2 > 4 8:>NW
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } wLi4G@jJ
} ; +fC=UAZ
@LS@cCC,a
同时,holder的operator=也需要改动: /RNIIY~w
kW*f.!
template < typename T > tQ8.f
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const dYG,_ji
{ v'U{/ ,x
return assignment < holder, T > ( * this , t); % 5m/
} fa++MNf}3
Ir
{OheJ
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。 ]Y%Vio
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 9`1O"R/
5 xppKt
return l(rhs) = r; 6N",-c
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。 43|XSyS
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 8D>n1b(H
j"}*T
template < typename Tp > aNScF
class constant_t W~zbm]
{ TOkp%@9/
const Tp t; le1}0L
public : C69q&S,
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} HW=C),*]cR
template < typename T > P#RR9>Q
const Tp & operator ()( const T & r) const ^Y@\1fX 4e
{ VXYK?Qc'
return t; S& SQ
} +@94;me
} ; 8"U. Hnu
G`n_YH084
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 n2]/v{E;/
下面就可以修改holder的operator=了 hM;lp1l
<QA6/Ef7
template < typename T > xCg52zkH#
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ox(j^x]NC
{ jE}33"
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); &^#VN%{
} H7d/X
/DK"QV!]s
同时也要修改assignment的operator() mzeY%A<0^
bL'aB{s
template < typename T2 > Jll-`b 1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } P*
w9,
现在代码看起来就很一致了。 }\%Fi/6Z{
K%a%a6k`
六. 问题2:链式操作 t/cY=Wp
现在让我们来看看如何处理链式操作。 j7jCm:
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。 ;%<,IdhN
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。 6kNrYom
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。 !9[>L@#G
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct _I)U%?V+
j/fzzI0@
template < typename T > f|B=_p80
struct result_1 JBXrFC;
{ v3aYc:C
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; }q $5ig
} ; eO?p*"p" F
}
ud0&Oe{
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: kMb}1J0i"
r[BVvX/,F
template < typename T > l8I /0`_
struct ref ^lA=* jY(
{ E~]R2!9
typedef T & reference; qAn! Rk A
} ; pi
Z[Y
5OE
template < typename T > OW3sS+y
struct ref < T &> w2
a1mU/
{ >4#)r8;dx
typedef T & reference; Y0x%sz5
} ; y9x w
9l'
`8AR_7i
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: hp#W9@NR
%k;|\%B`
template < typename T > (Tn- >).AO
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 0w)^)
{ l:j4Ft 8
return l(t) = r(t); |N%fMPKa
} In18_bc
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 hWD;jR
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Hea;?4Vg
_H j!2 '
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 -(
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ;_rF;9z9
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ,1 [q^-9
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 '}fzX2Q#
最后的布局是: NYrQ$N"
Add v6>_ j
L
/ \ | # 47O
Divide 5 {u#;?u=|
/ \ +kzo*zW$L
_1 3 -Z 4e.ay5
似乎一切都解决了?不。 555XCWyrC
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 -_1>C\h"
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 8=NM|i
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: WU71/PYm`
1JztFix
template < typename Right > xT
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const .(^ ,z&
Right & rt) const f33 l$pOp
{ ] lrWgm
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); n[G &ksQI
} "Y~:|?(@-
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 >'&p>Ad)
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。 (oEC6F
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。 n=y[CKS
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。 %-c*C $
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。 hw=
Ft4L
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? v":x4!kdX
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: b:tob0TB
Zc
W:6po>
template < class Action > BT}!W`
class picker : public Action 3E!|<q$z
{ ~N<4L>y<
public : z([ v%zf
picker( const Action & act) : Action(act) {} 7f0lQ
// all the operator overloaded 3'cE\u
} ; ]pH-2_
%M7` Hwu
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 ;\14b?TUH
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: LUM@#3&
0{,Z{&E
template < typename Right > u~WVGjoQ
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const EfCx`3~EX
{ Hn5|B 3vN
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); A
Q'J9
} (9Ux{@$o[
8,?h~prc
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > {q`jDDM
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。 +yk24
`>
g*03{l#P
template < typename T > struct picker_maker 6L"%e!be6
{ Z0Vl+
typedef picker < constant_t < T > > result; |mGFts}0o'
} ; $}>+kHoT{
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > +@p%
p
{ mLP.t%?#
typedef picker < T > result; y5*Z3"<
} ; =a@j=
x{n`^;Y1
下面总的结构就有了: =kJ,%\E`
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。 :h\Q;?
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。 ?o81E2TJO
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 gW)3e1a
至此链式操作完美实现。 a@@)6FM
* +"9%&?
2jR r,Nl
七. 问题3 /OLFcxEWh
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。 cx&>#8s&
}o(zj=7
template < typename T1, typename T2 > MvK !u
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const PIu1+k.r?
{ yku5SEJ\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); "alyfyBu'M
} x4;"!Kq\
?[g=F <r
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: "Zl5<
{khqu:HUn`
template < typename T1, typename T2 > 5,_u/5Y4
struct result_2 YQHw1
{ }<@b=_>S
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; WD]pU
} ; QdL`|
/&
Jan:
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? HCyv ]LR
这个差事就留给了holder自己。 ts\5uiB<%
MZSy6v
zsX1 QN16
template < int Order > Z>)Bp/-
class holder; nExU#/*~^
template <> wO'TBP
class holder < 1 > YH vLGc%
{ ^p[rc@+
public : ?OcJ)5C4
template < typename T > $Tu61zq
struct result_1 iV'k}rXC
{ /?@3.3sl_
typedef T & result; pGJ>O/%
} ; %?}33yV
template < typename T1, typename T2 > i~I%D%;
struct result_2 fVF2-Rh=
{ n>ULRgiT:o
typedef T1 & result; yeXx',]a
} ; A
mNW0.}
template < typename T > 5ymk\Lw
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const piPR=B+
{ [DJ|`^eKD
return (T & )r; wQ^EYKD
} _P0T)-X\(
template < typename T1, typename T2 > s5CXwM6cx
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const C-Q28lD}f
{ fI&t]
return (T1 & )r1; U>]$a71
} _I@9HC 4
} ; }=<
YC++&Nk
template <> Z/k:~%|E
class holder < 2 > kW;+|qs^
{ #Y*X<L
public : llcb~
template < typename T > ?[@J8
struct result_1 f .Q\Z'S^
{ AL9chYP}/
typedef T & result; n^Hm;BiE#
} ; NQBpX
template < typename T1, typename T2 > s}w{:Hk,x8
struct result_2 h2Ld[xvCu%
{ )J2mM
typedef T2 & result;
gbF+WE
} ; ?}wk.gt>
template < typename T > #M9~L[nFS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const "I3@m%qv
{ $"+djI?E9
return (T & )r; A\4D79>x
} -ws? "_w
template < typename T1, typename T2 > \k .{-nh
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const B<5R
{ X{5vXT\/y
return (T2 & )r2; S\:P-&dC
} ZP@
$Q%up
} ; >0/i[k-dk
cG[l!Z
0)Uce=t`
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 (SpX w,:
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: +"rDT1^V
首先 assignment::operator(int, int)被调用: zQcL|(N
_Gn2o2T
return l(i, j) = r(i, j); Y~c|hfL
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) J\+0[~~
^uKwB;@
return ( int & )i; g%sluT[#
return ( int & )j; kVkU)hqR
最后执行i = j; xN5)
可见,参数被正确的选择了。 `, OG7hg
@5N]ZQ9
smlpD3?va
BF\XEm?!
)(bW#-
八. 中期总结 h;p>o75O
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: <c2E'U)X
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 MI/MhkS
?
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 94h]~GqNi
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor &v56#lG
[4YTDEv%
XW[j!`nlk
`F-/QX[:
Oxm>c[R
LhA*F[6$M
九. 简化 (up~[
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。 w mn+
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 %'bM){
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: c/D+|X*
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 {j9{n
+-*/&|^等 9+j0q%
2. 返回引用。 YN/|$sMD|
=,各种复合赋值等 s3z$e+A8
3. 返回固定类型。 ?M8dP%&r
各种逻辑/比较操作符(返回bool) U>YAdrx2a
4. 原样返回。 &TUWW