一. 什么是Lambda ^&Wa?
m.
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 iTIYq0u|#R
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, s>c0K@ADO
3*!w c.=
]@A}v\wa
f S-PM3
class filler iM(Q-%HP_
{ TAp8x
public : ]mT2a8`c.r
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} \_l4li
} ; Ze"m;T
fF]w[lLDv
/lDei}
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: Z)'gj
ne9-
c>>
G;Py%8
~>B`T%=H
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); r}i}4K[1
45.Vr[FS.
0I['UL^!F
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 X<mlaXwrA
k<}3_
!yo@i_1D
.)Zs:50l
二. 战前分析 Ci_Qra 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。 E(g$f.9
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 FL E3LH
L6Io u
$(+#$F<eo+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); V[2}
/* --------------------------------------------- */ 4=qZ Z>[t
vector < int *> vp( 10 ); /X;/}fk
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Ld?'X=eQ
/* --------------------------------------------- */ yZQcxg%
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); o1Nfn'!3/>
/* --------------------------------------------- */ LDh,!5G-M
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Yan}H}Oq
/* --------------------------------------------- */ 9Yd"Y-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); `lA_knS
/* --------------------------------------------- */ ?Sr7c|a2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); @UQ421Z`
]\m>N]P]
qPoN 8>.
W5,&*mo
看了之后,我们可以思考一些问题: qNi`OVh&
1._1, _2是什么? MFQyB+Z
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。 IxaF*4JG
2._1 = 1是在做什么? u~7fK
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。 Z -fiJ75
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。 (\UpJlW
Y49&EQ
N;gY5;0m
三. 动工 aM+Am,n`@
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: B
*%ey?
)kD B*(?
nrg$V>pD
"p]!="\
template < typename T > 7~Z(dTdSG
class assignment 89Ir}bCr
{ :!ablO~
T value; WG*),P?
public : L%jIU<?Z7
assignment( const T & v) : value(v) {} hBi/lHu'
template < typename T2 > a:Nf+t
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } |]5`T9K@b#
} ; `BVXF#sb
54].p7
$plqk^P
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 -&l%CR,U
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment {gh<SZsE
+kN,OK~
AuT:snCzR
8([ MR
class holder c:aW"U
{ C8x9 Jrc
public : -Fq`#"
template < typename T > V*DD U]0k
assignment < T > operator = ( const T & t) const ?dPr HSy
{ Fw:_O2
return assignment < T > (t); e07u@_'^
} >gDeuye
} ; WLA&K]
3CH>!QOA
fN/;BT
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: n?;h-KKO:
SlG^ H
static holder _1; pHXs+Ysw+
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 F^Bk @
v: veKA
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); yf7|/M
而不用手动写一个函数对象。 Mh{244|o[
W1521:
$01csj
&u~Pp=kv
四. 问题分析 1tLEKSo+
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。 --EDr>'D5P
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。 S+"Bq:u"
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 uW
[yNwM
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 3b|=V
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Gu@C*.jj!
E*h!{)z@F
五. 问题1:一致性 N\];{pe>
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?| AOJ[/YpM
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 !C h1q
I{h KN V
struct holder 0'
oXA'L-J
{ F]t=5
-O<
// KaX*) P
template < typename T > Paeq
T & operator ()( const T & r) const s/.P/g%tA>
{ P*H0Hwn;
return (T & )r; S}a]Bt
} :%Oz:YxC/
} ; e"_kH_7sv
JEaTDV_
这样的话assignment也必须相应改动: d14 n>
G$2@N6
template < typename Left, typename Right > Oxa8u e?
class assignment .cHkh^EDY
{ %`QgG
Left l; T:@7EL
Right r; k~gOL#$
public : XK\3"`kd
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} C BoCT3@~
template < typename T2 > PXqG;o*Q*?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } jFJ}sX9]
} ; <_ENC>NP
shw"TF>?zG
同时,holder的operator=也需要改动: H\qZu%F'
G |[{\
template < typename T > 9K#3JyW*
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const oR,6esA+6n
{ '
,S}X\
return assignment < holder, T > ( * this , t); SZyORN
} DIw_"$'At
- U\'Emu4
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。 r@m]#4
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 %B( rW?p&
Uqb]&2
return l(rhs) = r; Dk>6PBl
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。 ".%d{z}vz
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: d#]hqy
:vX%0|
template < typename Tp > Fi67 "*gE
class constant_t ZX64kk+
{
)UM^#<-
const Tp t; Mn/@?K?y
public : 'A^q)hpax
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} [61*/=gWe
template < typename T > K,I
const Tp & operator ()( const T & r) const k@un}}0r
{ yW(|auq
return t; b,YNCb]H
} 3F@P$4!#l
} ; Eh ";irE
$xbW*w
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 k}Q<#
下面就可以修改holder的operator=了 I8j:{*h
kaXq.
template < typename T > pmvd%X\f
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ];4!0\M
{ U: Wet,
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); YcX\t6VK
} gK9d `5
!{(Bc8
hT
同时也要修改assignment的operator() CUYA:R<)
3V?x&qlP>
template < typename T2 > aY#?QjL
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } [5& nH@og
现在代码看起来就很一致了。 #MlpOk*G
Y}v3J(l
六. 问题2:链式操作 U31@++C[
现在让我们来看看如何处理链式操作。 <K`E*IaW
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 j7gw?,
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 xsn=Ji2 F
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 )?UoF&c/
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Jp_#pV*}:
r+8D|stS
template < typename T > j&oRj6;Ha+
struct result_1 #}FUa u$
{ [GI~ &
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; sqtz^K ROM
} ; U]~@_j
Tk4>Jb
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: Lr D@QBT
j}eb
_K+I
template < typename T > DkEv1]6JI_
struct ref T1$E][@Iv
{ ~(ke'`gJ0-
typedef T & reference; ?nGi if
} ; MCmb/.&wu
template < typename T > xdm \[s
struct ref < T &> {]<c6*gQ
{ \agZD+
typedef T & reference; T5."3i
} ; 1.F&gP)9
^ls@Gr7`P
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: v62_VT2v
Ze eV-
template < typename T > 0H}tb}4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const JiaR*3#
{ #~|k EGt
return l(t) = r(t); P,{Q k~iu
} PY.K_(D
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。 kFWwz^x
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 {h7 vJ^
3W%6n-*u
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 #@$80eFq
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: *uhQP47B
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 p35=CX`T.
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 5'I+%66?h$
最后的布局是: Giv,%3'
Add %7 bd}sJ#
/ \ su1lv#
Divide 5 p)yP_P
/ \ heCM+=#~
_1 3 .Q,"gsY
似乎一切都解决了?不。 \D? '.Wo%
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。 FnA Kfh(
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。 6M*z`B{hV
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: q>.7VN[
vE
d#rr7O
template < typename Right > fd&Fn=!
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const q()o|V
Right & rt) const T,pr&1]Lw
{ /GIGE##1F
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); THp_ dTD
} Nh.+woFq4
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 {Ya$Q#l
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。 Uz^N6q
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。 {fR\yWkt?
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。 cERIj0~
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。 -[7+g
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? ?ZlXh51
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: h9H z6
>
4d@yAr}
template < class Action > 5qtk#FB
class picker : public Action j%Au0k
{ rUb{iU;~m
public : ;`78h?`
picker( const Action & act) : Action(act) {} 2!sPgIz
// all the operator overloaded )4
4Y`v
} ; _YF>Y=D-
/grTOf&
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。 f,TW|Y'{g
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: MeEa| .
T UcFx_
template < typename Right > ^Spu/55_
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const F?Lt-a+
{ 6VGY4j}:(
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :2?g_
} ?Ij(B}D
lFBpNUnzU
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2 ?t@<M]
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。 ttsR`R1.k
@s LN
template < typename T > struct picker_maker V!He2<
{ 2LtDS?)@
typedef picker < constant_t < T > > result; %} `` :
} ; '? 5-
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ^5sA*%T4
{ PXMd=,}
typedef picker < T > result; w.?4}'DK
} ; HoGYgye=
MYS`@%ZV#k
下面总的结构就有了: X9m^i2tk
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。 og}Ri!^
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。 wXQxZuk[
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 YhN<vZ}U!~
至此链式操作完美实现。 Z=a%)Ki?Ag
S0^a)#D &
7S a9
七. 问题3 C
t,p
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。 ^^N|:80
Njc@5*rJ&
template < typename T1, typename T2 > VHD+NY/
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const WywS1viD
{ lx:$EJ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); *:n~j9V-
} <L-F3Buu
x6UXd~
L
e
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: SOOVUMj
u<ed O+
template < typename T1, typename T2 > WO qDW~
struct result_2 HOP*QX8C%
{ g<j)
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Z =+Z96
} ; .4+Rac
JsJP%'^/R
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? MGR:IOTa
这个差事就留给了holder自己。 }=-0DSLVj
'=_(fa,
FiUQ2w4
template < int Order > ~[ufL25K
class holder; B0@
Tz39=
template <> M =^d
class holder < 1 > a^%iAe
{ pm6#azQ
public : p) 8S]p]
template < typename T > o$No@~%v
struct result_1 1h$?,
{ 8o~
NJ 6
typedef T & result; <mn[-
} ; Np" p*O
template < typename T1, typename T2 > I&1Lm)W&
struct result_2 YYe G9yR
{ P.]h`4
typedef T1 & result; xi5"?*&Sb
} ; <V&0GAZ
template < typename T > oYqHl1cs
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const U^dfNi@q
{ XY"b 90
return (T & )r; *ub2dH4/
} E4X6f
template < typename T1, typename T2 > y :;.r:
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const E8PDIjp
{ %O\@rws
return (T1 & )r1; ^&>B,;Wu
} 7ch9Pf
} ; mLhM_=
47q>
q
template <> t8^1wA@@V
class holder < 2 > (4YLUN&1O$
{ |+nmOi,z
public : N"70P/
template < typename T > F3|^b{'zO
struct result_1 4aXIRu%#7
{ _**Nlp*%
typedef T & result; 8
lggGt
} ; ,2M}qs"P7G
template < typename T1, typename T2 > 'UlVc2%{
struct result_2 n~^SwOt~;5
{ )WqolB
typedef T2 & result; 2R/|/>T v
} ; luoQ#1F?sl
template < typename T > Aw#<: 6-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const (]]hSkE
{ !xsfhLZK
return (T & )r; *vb"mB
} ?bZH Aed
template < typename T1, typename T2 > ?NMk|+
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 0m_yW$w
{ )3h\QE!z
return (T2 & )r2; {7M++J=
} 37hdZt.,
} ; a-NTA
cH5i420;aO
f[o~d`z
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ',EI[
]+
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 'z$N{p40m
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 7+HK_wNi
bzi"7%c
return l(i, j) = r(i, j); "Rj
PTRe:
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) s=8H<'l
v)
n-
return ( int & )i; s$M(-"mg
return ( int & )j; ]C \+b<
最后执行i = j; xC)bW,%
可见,参数被正确的选择了。 Q"&Mr+
V*?cMJ_G
F^%w%E\
_b&|0j:Ud
m+c-"arIpA
八. 中期总结 uxfh?gsL
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: DDrR9}k
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 iH(7.?.r
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 qAjtvc2
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor SXL3>-Z E
{$frR "K
2`=jKt
&_L@hsm
zhn?;Fi
|*bUcS<S
九. 简化 tq
L(H25z
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。 "to!&@I|
4
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 {nmG/dn{
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: #
-'A
=j
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 lod+]*MD
+-*/&|^等 m.<_WXH
2. 返回引用。 B!RfPk1B<*
=,各种复合赋值等 u zZ|0
3. 返回固定类型。 U^PXpNQ'
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 3%POTAw%
4. 原样返回。 Y|tHU'x
operator, `D+zX
5. 返回解引用的类型。 Olzw)WjG
operator*(单目) E+L7[
6. 返回地址。 DGvuo 8
operator&(单目) 2
}xePX9?
7. 下表访问返回类型。 u]*7",R
uU
operator[] +<bj}"
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 I5"wa:Z
operator<<和operator>> ^+(5[z
%vmd2}dA
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。 A?YYR%o%'
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 3BMz{ny=
p$Tk;;wm
template < typename Left > j97+'AKX
struct value_return ^|/mn!7wD
{ ?mH=3
:~
template < typename T > Y:\msq1xp
struct result_1 mEY#QN[eq
{ pBqf+}g4
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; s<