一. 什么是Lambda &)<)^.@3G^
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 V(*(F7+
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, 93hxSRw
,2ar7
5Va
1h5 Akq
C7AUsYM
class filler }(u
ol
{ e96k{C`j0
public : _SkLYL!=9
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} akQ7K
} ; }ad|g6i`
ovV'VcUs
R G`1en
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: i!Ga5 v8n:
<a+Z;>
QmIBaMI#
Z?z.?ar
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ?
=+WRjF
9cm#56
{(}By/_
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 #$y?v%^
rrv%~giU
vfo~27T{(
rVsJ`+L
二. 战前分析 Af{"pzY
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Rx}Gz$
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 vr^qWn
,Y48[_ymm
Du){rVY^d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sx<%2
/* --------------------------------------------- */ %~S&AE-
vector < int *> vp( 10 ); DlNX 3
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); |^H5^k "Bv
/* --------------------------------------------- */ ;*&-C9b
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Wv/=O}
/* --------------------------------------------- */ ete.!*=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); RpYERAgT
/* --------------------------------------------- */ cCc(fF*^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); )\^-2[;
/* --------------------------------------------- */ $,'*f?d
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); \uMLY<]P
N}YkMJy
TuqH*{NNy9
FC"8#*x
看了之后,我们可以思考一些问题: _wL BA^d^
1._1, _2是什么? 7t_^8I%[
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 8HdAFRw
2._1 = 1是在做什么? {[ >Kob1
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 s"?3]P
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 sn>~O4"
01o4Th m
>-{Hyx
三. 动工 <rS F*
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ws^ np
7J&4akT{9
SK.: Q5:
pY$Q
template < typename T > <b<j=_3
class assignment GowH]MO
{ RzusNS
T value; 2dgd~
public : gltBC${7wZ
assignment( const T & v) : value(v) {} y18Y:)DkL
template < typename T2 > dnuu&Rv
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } W`*r>`krVJ
} ; s&J]zb`
&
"B=/-(
7vj2
`+r.
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9Lfv^V0
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 4I5Y,g{6+
FNId;
wn)W
?P;k
!$>R j
class holder ;IM}|2zuN
{ ymcLFRu,
public : EDs\,f}
template < typename T > _n\GNUA
assignment < T > operator = ( const T & t) const $
o#V#
{ jm r"D>
return assignment < T > (t); ;P&OX5~V
} )sQ*Rd@t[8
} ;
1ZB"EQ
S`m]f5u|
8qu6.
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: 5.J.RE"M
vEz"xz1j!]
static holder _1; 2T[9f;jM'
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 5d!-G$@
S?BG_J6A7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [;myHI`tw
而不用手动写一个函数对象。 Ef13Q]9|
0S$N05
^D-/`d
n>U5R_T
四. 问题分析 {+Cy U!O
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。 IRqy%@)
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。 ,izO{@We2{
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 3%=~)7cF
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 `,*5wBC
下面我们可以对这几个问题进行分析。 }?v )N).kW
LC!bIm5'
五. 问题1:一致性 {3vNPQJ
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?| ?p8_AL'RS
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 I4?5K@a
F`]2O:[
struct holder lBGQEP3;
{ ZO$%[ftb
// $\y'IQ%
template < typename T > ,L'zRyP
T & operator ()( const T & r) const OJy#w{4
{ cq4Ipe
return (T & )r; fZA4q0
} ~z;FP$U
} ; >`ZyG5
ZLAy-
9^Y
这样的话assignment也必须相应改动: e6RPIg
WX6&oy>
template < typename Left, typename Right > /%A*aGyIc
class assignment UN<]N76!
{ 'F#KM1s
Left l; e'b(gD}
Right r; #$qTFN
public : UFb)AnK
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} AbmAKA@
template < typename T2 > Z!X0U7&U
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } @/-\k*T
} ; l8#EM1g-
3n}?bY8@5_
同时,holder的operator=也需要改动: (0y~%J
_~ iw[*#u
template < typename T > "o}+Ciul
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const #],&>n7'
{ ChXq4]
return assignment < holder, T > ( * this , t); nt7.?$
} (,Df^4%7
w!clI8v/
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。 HEc+;O1<
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 X1vd'>
j9+w#G]hV
return l(rhs) = r; 54li^
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。 <1\Nb{5
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: agW@{c
AoL2@C.C%D
template < typename Tp > +@iA;2&
class constant_t ur7q [n
{ @A^;jk
const Tp t; :$BCRQ
public : Ffta](Z;
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Px`!A EFd[
template < typename T > z]D69O b
const Tp & operator ()( const T & r) const 8k1Dj1@0z
{ %m$Sp47
return t; ;)^`3`
} nq8C'Fo!6T
} ; ptxbDzOz
LsS
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 i|*)I:SHU
下面就可以修改holder的operator=了 %
0+j?>#X
VrQmP
template < typename T > \%N!5>cZ{
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Cg?&wj<
{ Ur=(.%@
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 56-dD5{hxR
} uurh??R
K':;%~I
同时也要修改assignment的operator() @>>~CZ`l
!AfHk|
template < typename T2 > 6?~"V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } J B]q
现在代码看起来就很一致了。 !*bMa8]*
g0Gf6o>2
六. 问题2:链式操作 !sW(wAy?o
现在让我们来看看如何处理链式操作。 rJbf_]^
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。 x%!s:LVX
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。 8jo p_PG'
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。 F Yzi~L
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct .-oxb,/
Tl[!=S
template < typename T > mtmjZP(w
struct result_1 WE.{p>
{ g+>(dnX
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; (w/T-*
} ; .ndCfdy~
yS(fILV
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: K<Iv:5-2
8hJ%JEzga
template < typename T > *XbEiMJ
struct ref 4UvZ)^r
{ _Wq
typedef T & reference; pRIhFf
} ; T)TfB(
template < typename T > "wnzo,
struct ref < T &> z(Pe,zES
{ 6GSI"M6s
typedef T & reference; L`p4->C9A
} ; ERE)A-8
[~#WG/!:
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ,<tX%n`v=
kG@@ot" n
template < typename T > =Og)q$AL
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const _%!c+f7
{ eWtZ]kB
return l(t) = r(t); .C(eh
} A1D^a,
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。 NOiN^::m
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 4@n1Uk
(ehK?6[
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 X=!^] 3zH
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: f'-i o<.
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 F6OpN"UM'
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ")dH,:#S
最后的布局是: 8I8
F/47x
Add &U
raUl
/ \ D!NQ~'.a=2
Divide 5 WEQ1 Seq
/ \ A3no~)wZn
_1 3 Gh}LlX!w
似乎一切都解决了?不。 v~V5`%
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。 bRJMYs
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。 L,`Lggq-
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: WDc+6/<
P'*)\faw
template < typename Right > iH@yCNE"
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const KJ=6 n%6
Right & rt) const [}/LD3
{ LuSLkLN
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Q}K#'Og
} RHq/JD-
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 d`nVc50
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。 Wi2WRJdyu
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。 QM
O!v;
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。 #PanfYR
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。 h\.zdpR
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? oCi=4#g%7
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: pUq1|)g
[*H N"
template < class Action > 4.h=&jz&
class picker : public Action X M#T'S9y8
{ .ir<s>YM
public : Jd(,/q
picker( const Action & act) : Action(act) {} C\nhqkn
// all the operator overloaded m&\h4$[kql
} ; l>{R`BZ/
+~roU{& o
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。 ?~;:jz|9<'
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: ]dk8lZ;bo
YZ7|K<
template < typename Right > 8`
@G; o
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const W4e5Rb4~f"
{ ryCI>vJz
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y$Y_fjd_
} &)vC;$vD`
I1\a[Xe8E
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > !{)tSipd
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。 Xn,v]$M!
\X&H;xnC5
template < typename T > struct picker_maker 6290ZNvr
{ T2 Y,U {
typedef picker < constant_t < T > > result; gO,25::")
} ; xY U.D+RY
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 2fS[J'-o
{ eDJfU
typedef picker < T > result; ~aOuG5XK
} ; '+vA\(K
%]6~Eq%s
下面总的结构就有了: @@rEs40
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。 ,0~9dS
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。 :l&V]}:7*
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ^#1.l=s
至此链式操作完美实现。 ?(m
jx
vR=6pl$|~~
J9Ou+6 u(
七. 问题3 9,_mS{+B
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ivz>dJ ?T
:ORR_f`>
template < typename T1, typename T2 > }kK[S|XVO
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const =;|QZ"%E
{ FwY&/\J7V
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); f<*Js)k
}
MR,R}B$
I,VH=Yn5,
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: 3a 1 u
Cc<,z*T
template < typename T1, typename T2 > d,tU#N{Q6
struct result_2 mBJeqG
{ 6"t;gSt4
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; L%$|^T=%
} ; E+ tB&
N,
*m ,
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? D?,#aB"
这个差事就留给了holder自己。 bY2 C]r(n
xD /9F18
jhX[fT1m
template < int Order > @81Vc<dJ
class holder; >'xGp7}y
template <> p=B>~CH
class holder < 1 > u#A<hq;
{
-0Tnh;&=
public : M- 2Tz[
template < typename T > ls `,EFF
struct result_1 +|{RE.DL
{ f%)zg(YlO
typedef T & result; $GQ-(/
} ; KdUnD4d
template < typename T1, typename T2 > -:9P%jWt
struct result_2 ww{_c]My
{ W$o27f
typedef T1 & result; NU\
5{N<
} ; #9fWAF
template < typename T >
|R@~-Ht
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const _#s=h_
FD
{
uV hCxUMQ
return (T & )r; ZBG}3Z
} 5P+t^\
template < typename T1, typename T2 > @@g\2Gs
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const y"<))-MH
{ 8?O>ZZtu
return (T1 & )r1; P;8>5;U4-
} Enq|Y$qm
} ; T<joRR
0T5=W U
template <> =!UR=Hq
class holder < 2 > /.eeO k
{ ?Xo*1Z =
public : 8; R|
template < typename T > tYqs~B3
struct result_1
I.@hW>k
{ A[dvEb;r
typedef T & result; \^K&vW;
} ; xwZ8D<e-,
template < typename T1, typename T2 > YyJPHw)Z
struct result_2 [;oCYb$9
{ ,chf~-d
typedef T2 & result; dj&}Gedy
} ; ZC4*{
template < typename T > iH2n.M
"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const m&0"<V!H/B
{ "SoHt]%#
return (T & )r; 5ZPzPUa8~
} 's!-80sd
template < typename T1, typename T2 > ExXM:1 e26
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const _uu<4c
{ cj|*_}
return (T2 & )r2; NOK/<_/
} Dli^2hD
} ; ] 43bere
5;TuVU.8Q
}T0K^Oe+eS
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 2~p[7?sp'
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: "?GebA
首先 assignment::operator(int, int)被调用: X0+fsf<H}
0ZPV'`KGp
return l(i, j) = r(i, j); kF V7l
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) yWHiw<
X7|.T0{=x
return ( int & )i; do>"[RO
return ( int & )j; +f;CyMEp
最后执行i = j; kao}(?x%
可见,参数被正确的选择了。 '!Kf#@';u
xq-$\#O
=]Hs|{
}98>5%Uv
agOk*wH5
八. 中期总结 i!dv0|_
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: =S]a&*M
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Px'!;
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 F[7x*-NO-
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor bT!($?GNdg
snp v z1iS
d2ENm%q*PX
7TX,T|>9
VLg
EX4
*Wb=WM-.
九. 简化 )yb+M ez
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 4`2$_T$F
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 +MO E
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: M\+* P,i
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 8xI`jE"1
+-*/&|^等 W)SjQp6
2. 返回引用。 g42R 'E%
=,各种复合赋值等 |AH@ EI>
3. 返回固定类型。 3@O0^v-
各种逻辑/比较操作符(返回bool) L$Z(+6m5
4. 原样返回。 qMS}t3X
operator, _b4fS'[
5. 返回解引用的类型。 ;
a/cty0Ch
operator*(单目) jlKGXD)Q[
6. 返回地址。 c8QnN:n
operator&(单目) -Ubj6 t_K
7. 下表访问返回类型。 '3kcD7
operator[] MdhT!?
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ^,2c-
operator<<和operator>> "gNK><
<3 j~=-
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。 h K}bj
例如针对第一条,我们实现一个policy类: }Pg'
vJW
0v"&G<J
template < typename Left > Wc#:f8dr
struct value_return Ha ZFxh-(
{ bEr.nF
template < typename T > %f[Ep 3D
struct result_1 D?+
RJs
{ >4![&