一. 什么是Lambda _s1pif
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 jDV;tEY#^
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, c)b/"
tF/)DZ.to
!:GlxmtoW?
AgBXB%).
class filler d
:a*;F
{ 6dNW2_
public : 6H #4iMeh
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} C'wRF90
} ; Sb/`a~q^
MzRliH8e
`hVi!Q]*P
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: @{X<|,W9w
J[k,S(Y
S{0iPdUC
PX} ~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); jQ"z\}Wf
_ddOsg|U
4X1!t
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 qdOUvf
lB(E:{6OZ
<73dXTZ0
\C&[BQ\
二. 战前分析 e2dg{n$6"
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 f i_'Ny>#
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 38 -vt,|
eXYf"hU,
TdCC,/c3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); B1U<m=Y
/* --------------------------------------------- */ sU=7)*$
vector < int *> vp( 10 ); ZHN@&Gg6)
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %3:[0o={d
/* --------------------------------------------- */ \se
/2l
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); MmbS["A
/* --------------------------------------------- */ Y6Mp[=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); C9FzTg/c
/* --------------------------------------------- */ vT&)
5nN
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 4%GwCEnS
/* --------------------------------------------- */ ;usR=i36b
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); `q$a
p$?
YaT6vSz
%*A|hK+G:W
JG:li} N
看了之后,我们可以思考一些问题: &*JU
N}86
1._1, _2是什么? <y4WG
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。 o?O> pK
2._1 = 1是在做什么? #3_t}<fX
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。 !P"@oJ/Yy_
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。 XzD+#+By
Q`B K
R]/
mWP1mc:M(
三. 动工 '|
6ZPv&N
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: <Rb[0E$
&<>NP?j}
XZ&cTjNB&
^aONuG9
template < typename T > 9 \lSN5W
class assignment ? koIZ
{ k0(_0o
T value; ;_oJGII?br
public : i>aIuQ`pe
assignment( const T & v) : value(v) {} I)AbH<G{
template < typename T2 > S%p.|!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Ds<~JfVl
} ; +I>V9%%vW_
$[xS>iuD
r1A<XP|1?I
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Pl\r|gS;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment QUO'{;,
+td]g9Ie
51Q m2,P1^
Q|7$SS6$
class holder ,vh$G 7D
{ 4/?@ %
public : B4MrrW4=
template < typename T > 1va~.;/rG
assignment < T > operator = ( const T & t) const :AYhBhitC
{ m 5_
return assignment < T > (t); <C <z#M'`
} ~#];&WE
} ; )#Le"&D
8-&c%h
1
Ef]<0Tm]:
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 6.'j\
bP)(4+t~
static holder _1; *Tum(wWZ
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Iy#=Nq=
Tv6HPD$[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); oWb\T
2!m
而不用手动写一个函数对象。 2/>u8j
F.cKg~E|e
V=de3k&p
]k#iA9I
四. 问题分析 eD,'M
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。 .gclE~h.
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。 gski:C
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 h3rVa6cxM
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 QF4)@ r{2x
下面我们可以对这几个问题进行分析。 9q ]n&5
?P%-p
五. 问题1:一致性 BS|$-i5L
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?| HDYWDp
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 $z[@DB[
;u*I#)7
struct holder I&wJK'GM`
{ 2)MX<prH
// ?D_^ 8\R
template < typename T > X-y3CO:&@h
T & operator ()( const T & r) const c\le8C3
{ 2Bz\Tsp
return (T & )r; @:Emmzucv|
} <
UD90}
} ; re)7h$f}
E"zC6iYZ;
这样的话assignment也必须相应改动: {`ByZB
\#!B*:u
template < typename Left, typename Right > U62Z ?nge%
class assignment *_sSM+S
{ dlRTxb^Y>u
Left l; n/ZX$?tKAK
Right r; -A^o5s
public : 2(2UAB"u
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} TZ#^AV=ae
template < typename T2 > EYRg,U&'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } /d*[za'0
} ; p5aqlYb6r
nIWY<Z"
同时,holder的operator=也需要改动: Vtv~jJ{m
6&;h+;h
template < typename T > D!V~g72j
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const `4-N@h
{ <8ih >s(C
return assignment < holder, T > ( * this , t); U'LPaf$O
} RqKkB8g
i<{:J -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。 fb[? sc
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Q%:Z&lgy
%uz6iQaq]X
return l(rhs) = r; AfpC >>=@
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。 NXMZTZpB7
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: e^k)756
2 b80b50
template < typename Tp > %)w7t[A2D
class constant_t :7?n)=Tx
{ H5(:1
const Tp t; ](^FGz
public : Z# %s/TL
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} /5X_gjOL,
template < typename T > #wZbG|%
const Tp & operator ()( const T & r) const 0|6Y%a\U
{ aZ8f>t1Q
return t; E(_lm&,4+
} 84<zTmm
} ; aA]wFZ
:W#?U yo
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 D
`av9I
下面就可以修改holder的operator=了 L;=3n[^x
>avkiT2
template < typename T > OkMAqS
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Gi\Z"MiBZ
{ SB`xr!~A]
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); K7t_Q8
} aF[#(PF
Sqx'nXgO
同时也要修改assignment的operator() Te `MIR
NNMn,J
template < typename T2 > #~4;yY\$I
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Myf2"\}
现在代码看起来就很一致了。 ,0eXg
LK<ZF=z]Z
六. 问题2:链式操作 ^O& y;5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 MaLH2?je^n
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。 'Hsd7Dpi}
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。 n5y0$S/D
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 y+
4#Iy
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct K j~!E
H"
}l&y8,[:
template < typename T > h0C>z2iH
struct result_1 fg/hUUl
{ U ]7;K>.T
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; %'/^[j#
} ; +F~B"a
:kC*<f\
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: !+DhH2;)F
4n*`%V
template < typename T > U|b)Bw<P
struct ref ,ZVhL* "
{ }}l jVUpC%
typedef T & reference; dM-~Qo
} ; !DD4Bqez
template < typename T > \0Ba?
struct ref < T &> [<sN "
{ fNV-_^,R9
typedef T & reference; g>g*1oS
} ; )2
b-3lz
So=
B cX-
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: vGOO"r(xL
X<H{
template < typename T > nUK;M[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ?@<Tzk]a.
{ *J{E1])<a
return l(t) = r(t); &x$ps
} [
~kS)
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。 6Ilj7m*
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 4wWfaL5"
L\R(//V
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 4>/i,_&K K
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: lYey7tl{
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 DPCQqV |7
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 iba8G]2
最后的布局是: 4y!GFhMh
Add rxj#
/ \ `XM0Mm%
Divide 5 t^2$ent
/ \ :(4q\~
_1 3 !r9rTS]
似乎一切都解决了?不。 S4rm K&
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 DQ&\k'"\
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Oc-ia)v1G
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: T-]UAN"O
)P,pW?h$
template < typename Right > cM\BEhh
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const mex@~VK
Right & rt) const +:W? :\
{ t>x!CNb'C
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )-h{0o
} 7I*rtc&Kb
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 N4b{^JkF
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。 DR]4Tc z#
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。 S]A[eUF~
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。 pD }b $
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。 TmK8z
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? ?A04qk
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: )\7Cp -E-W
h,6> ^A
template < class Action > SwaMpNXL
class picker : public Action -:~z,F
{ hLVgP&/E
public : shO4>Ha
picker( const Action & act) : Action(act) {} D[6wMep^n
// all the operator overloaded *1T~ruNqa
} ; V;Q@'<w
Wys$#pJ
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。 #4!f/dWJp
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: l<'}`
$`R=Q
template < typename Right > U[:=7UABU?
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +{}p(9w@
{ [&l+V e(
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4q(,uk&R[
} @Y<fj^]k
}:[MSUm5
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > s>[Oe|`
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 =h|7bYLy
)\kNufP
template < typename T > struct picker_maker ~#)9Kl7<X
{ %NfH`%`
typedef picker < constant_t < T > > result; 02)Ybp6y
} ; +UX}
"m~W
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 2sVDv@2
{ ?}S!8;d
typedef picker < T > result; 6WoFf
} ; wUfPnAD.'
E^m)&.+'M
下面总的结构就有了: /<dl"PWkJv
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 O;T)u4Q&3
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 %eGD1.R
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 R/ x-$VJ
至此链式操作完美实现。 i8DYC=r
y)TBg8Q
Bo1 t}#7
七. 问题3 }WF6w+
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。 =vDpm,
9>ZX@1]m_
template < typename T1, typename T2 > t}MT<Jj
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const JeAyT48!M
{ wRq
f'
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); :c`djM^ll
} !!mGsgnW
F5M{`:/
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: 8%xiHPVg
~H"-km"@
template < typename T1, typename T2 > woN
d7`C}7
struct result_2 Hq>rK`
{ RB;2
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 75A60Uw
} ; :5jor Vu
23opaX5V=
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? 5d}bl{
这个差事就留给了holder自己。 ,4}s 1J#
p%/lP{
2uMSeSx$
template < int Order > :U]Pm:ivTU
class holder; <l>L8{-3
template <> E/D@;Ym18
class holder < 1 > jO`L:D/C
{ fSGaUBiq}
public : a)6?:nY$
template < typename T > #vViEBVeN
struct result_1 gEq6[G
{ };*&;GFe
typedef T & result; $. sTb
} ; =,&{ &m)
template < typename T1, typename T2 > zOJzQZ~
struct result_2 W#wC
{ ZB5NTNf>
typedef T1 & result; u!b0<E
} ; akwS;|SZ
template < typename T > h(^[WSa
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const maV*+!\
{ "c![s%
return (T & )r; 9Z3Vf[n5\
} W=2]!%3#
template < typename T1, typename T2 > ;)sC{ "Jb
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const H{_6e6`e.
{ fvG4K(
return (T1 & )r1; u:,B&}j
} Qr?(2t#
} ; 0.1?hb|p5T
9Dyy&$s
template <> q@Zeu\T,*#
class holder < 2 > nzU0=w}V
{ 59?$9}ob
public : 9FF
template < typename T > ^a#W|-:
struct result_1 4hn'b[
{ RVpo,;:
typedef T & result; C4|79UG>s
} ; j"&Oa&SH
template < typename T1, typename T2 > ,ZnL38GW
struct result_2 9v7}[`^
{ >-(,BfZ
typedef T2 & result; PW9tZx#
} ; lW]&a"1$
template < typename T > ZZ>(o
d!B
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const u#3Cst8Y
{ vQ{mEaH
return (T & )r; )xTu|V
} 5L\Im^
template < typename T1, typename T2 > @X_)%Y-^O
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const e^hI[LbNC
{ I3Ad+]v
return (T2 & )r2; p
>nKNd_aQ
} B<,AI7
} ; YH-W{].
qc6d,z/
\u 6/nvZ]N
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> >。 ;Udx|1o
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Nh6!h%
首先 assignment::operator(int, int)被调用: x0xQFlGk
IN"6=2:
return l(i, j) = r(i, j); dAjm4F-
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Q*/jQC
5"Y:^_8
return ( int & )i; `QT9W-0e^
return ( int & )j; o7yvXrpG(U
最后执行i = j; ~VPE9D@
可见,参数被正确的选择了。 `L.nj6F
Lvn+EM
_,*QJ
#?bOAWAwLh
S#\Cyn2(t
八. 中期总结 59(} D'lw>
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: >< Qp%yT
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 IpVtbDW
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 U@)WTH6d
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 7#9fcfL
~8[`(/hj
}`uq:y
RNX>I,2sh
CbT ;#0
[ _&z+
九. 简化 2c5)pIVEy
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。 8ZDWaq8^2N
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 !:1BuiL
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: F>5)Clq
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 "T6s;'k
+-*/&|^等 p%e/>N.P
2. 返回引用。 a,[NcdG
=,各种复合赋值等 A)kdY!}
3. 返回固定类型。 g=S|lVQm
各种逻辑/比较操作符(返回bool) prVqV-S6TY
4. 原样返回。 ;oRgg'k<
operator, ABhQ7
x|
5. 返回解引用的类型。 b yJ[1UK
operator*(单目) ,h.hgyt
6. 返回地址。 IVG77+O# }
operator&(单目) /ASpAl[J
7. 下表访问返回类型。 A*? Qm
operator[] zB+zw\ncN
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 @G=_nZxv
operator<<和operator>> 49 1 1
m>'#664q1
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。 kfy|3KA3m
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 5+*CBG}
2Vg+Aly4D
template < typename Left > kJ B u7
struct value_return MNKY J
{ Qr[".>+
template < typename T > ]DI%7kw'
struct result_1 ;vgaFc]
{ \B8[UZA.&
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 2!}rHw
} ; nsi&r
X1%_a.=VF
template < typename T1, typename T2 > eo4v[V&
struct result_2 p 4l B#
{ +InFv"wt
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 4J2C#Cs
} ; O4,?C)
} ; uq@_DPA7
HQrx9CXE
7]8apei|
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait Qx77%L4
vi0nJ -Xg
下面我们来剥离functor中的operator() N`5
mPE
首先operator里面的代码全是下面的形式: _(:bGI'.m
x]|-2t
return l(t) op r(t) Ba;tEF{X
return l(t1, t2) op r(t1, t2) lkgB,cflpi
return op l(t) Yfx'7gj
return op l(t1, t2) ~
6Hi"w
return l(t) op ]Hrw$\Ky
return l(t1, t2) op ?uqPye1fc
return l(t)[r(t)] w0fFm"A|W
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] /QVhT
O@,9a~Ghd
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: :-1
i1d
单目: return f(l(t), r(t)); mbO.Kyfen
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); RMBPm*H
双目: return f(l(t)); hdxq@%Vs
return f(l(t1, t2)); 9AZpvQ
下面就是f的实现,以operator/为例 Z<$y)bf
Uj>bWa`
struct meta_divide a &