一. 什么是Lambda w`q):yXX
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 pPUKx=d
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, Mz_*`lRN
v<$a .I(
x
xWnB
ewN!7
class filler BNL Q]
{ t[|^[%i
public : U:"E:Bxz;m
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} '(4$h3-gv7
} ; D=i)AZqMPp
1 :<f[l
&N.D!7X
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: _Gvn1"l
:=3Ty]e
g)nsP
XDRw![H,~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); v47Y7s:uQ
kdcr*7w
wGr5V!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 3=SIIMp7=
<Wqk5mR
Cp {
j+Ia
NFxs4:]
RT
二. 战前分析 {\u=m>2U|
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。 <?h`
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 /1OzX'5f
1VRexp
SY &)?~C
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); o$disJ
/* --------------------------------------------- */ 1j4(/A
vector < int *> vp( 10 ); fZ8at
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); X=_`$
0
/* --------------------------------------------- */ Wg \`!T
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); -`knSR
/* --------------------------------------------- */ DSb/+8KT
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); #*r u*
/* --------------------------------------------- */ +T\c<lJ9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); #I]5)XT
/* --------------------------------------------- */ E}&Z=+v}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ~ 8hAmM
`VJJ"v<L
>'\cNM~nf
Nw74T
看了之后,我们可以思考一些问题: gt~hUwL
1._1, _2是什么? 0H<&*U_V
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。 ah1DuTT/G
2._1 = 1是在做什么? "'M>%m u
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。 IYb%f T
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。 n4* hQi+d
RfM
uWo:
Ry5/O?QL
三. 动工 e@B+\1
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: }1N$4@
A$w0+&*=
g(9\r
Q2 tM~
template < typename T > oSDx9%
class assignment #+X|,0p
{ !kzC1U
T value; @I`X{oAA
public : GoVB1)
assignment( const T & v) : value(v) {} N;)Y+amg^
template < typename T2 > a-P'h1hbH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ?B&Z x-krd
} ; fWr6f`de
In%K
(6Ssk4
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 pH#*:v!)
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment OI=LuWGQE1
8|\0\Wd;vu
5P?7xRA
u9d4zR
class holder ;H%&Jht
{ pv:7kgod
public : }]8n3&*
template < typename T > urJ>dw?FI
assignment < T > operator = ( const T & t) const .I6:iB
{ QFg,pTj
return assignment < T > (t); iG:9uDY
} yQ^k%hHa
} ; t>W^^'=E
P>*g'OK^!G
:'\4%D=w
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: aD2+9?m
A7{l60(5
static holder _1; .GJl@==~1
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 6]GEn=t
@uIY+_E40g
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Qv3g
4iJ
而不用手动写一个函数对象。 /7EeM{,~
] D(laqS;"
{nyQ]Nu"
/F>\-
四. 问题分析 qDOJ;>I
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。 3f 1@<7*
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。 LGxQ>f[V
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 6 (:^>@
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 HA
+EuQE"
下面我们可以对这几个问题进行分析。 hq5=>p
:z;}:+7n
五. 问题1:一致性 D$sG1*@s-
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 8J&K_JC^
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 9.bMA<X
njz:7]>e
struct holder k'_p*H
{ i- Le&
// }v0IzGKs
template < typename T > :+1S+w
T & operator ()( const T & r) const VrV* -J'
{ >[4;K&$B
return (T & )r; DYvi1X6
} &FQ]`g3_@
} ; NXAP=y3
fk(l.A$
这样的话assignment也必须相应改动: s+"[S%
a '/yN{?p
template < typename Left, typename Right > uUAib<wdPL
class assignment "HWl7c3q
{ x6,kG
Left l; fo"dX4%}
Right r; gE,i
Cx
public : b";w\H
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 5t$ZEp-
template < typename T2 > {FR#je
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } H}}]Gh.T
} ; :K!@zT=o
*+p9u 1B5
同时,holder的operator=也需要改动: 7)S;VG k
"RuH"~o
template < typename T > DzLm~
aF
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Dk#$PjcRE
{ U!@3['
return assignment < holder, T > ( * this , t); MKd{y~'
} Sd]` I)
JGaS`fKSk
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。 ;{]%ceetcu
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 oB27Y&nO
l?_Iu_Qp
return l(rhs) = r; $'}:nwq6x
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ]R^?Pa1Te4
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: w <
p
N|eus3\E
template < typename Tp > d+KLtvB%M
class constant_t EEQW$W1@
{ &3VR)Bxn
const Tp t; #uNQ+US0
public : 4#mRLs'
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 6xSdA;<+]
template < typename T > 7O{c>@\
const Tp & operator ()( const T & r) const EfY|S3Av
{ |$`LsA.
return t; s OD>mc#%Y
} D@tuu]%p
} ; kUAj Q>
SP9_s7LL
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 1btQ[a6j
下面就可以修改holder的operator=了 r8XY"<
4os7tx
template < typename T > 8>G3KZ3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ml7]sN(
{ C|c'V-f
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); \R45#.
P6X
} ^-T!(P:
#KZ6S9>@
同时也要修改assignment的operator() F+Og8^!
']1j Mn
template < typename T2 > vBCQ-l<Ub
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } !+&"y K@J
现在代码看起来就很一致了。 _wp6rb:8!
F*hOa|7/
六. 问题2:链式操作 $x]'6
现在让我们来看看如何处理链式操作。 *+h2,Z('a
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 %qRbl4
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 XRVE8v+
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 TI: -Y@8
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct MIasCH>r
pZz?c/h-
template < typename T > vMKmHq
struct result_1 bb[.Kvq5
{ &Cp)\`[y
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; OOS(YP@b
} ; QkUq%}_0
Z8tQ#Pu{
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: N~g@
:P<}
bGN
template < typename T > l)GV&V
struct ref `s(T(l
{ vK)^;T ;
typedef T & reference; Ko9"mHNB
} ; 61>@-55k9
template < typename T > vttmSdY
struct ref < T &> eZR{M\Q
{ }5-^:}gL
typedef T & reference; SU9qF73Y
} ; i>i@r ;:|
v.H00}[.
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: '0D2e
c*$&MCh
template < typename T > $]EG|]"Ns
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const =FQ]eb*
{ ),y{.n:wm
return l(t) = r(t); oUXu;@l
} hK*:pf
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 x0B|CO
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 8xzEbRNJ)
4.2qt
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 )B.NV<m
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: TcA+ov>TD
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 6=a($s!
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 )MqF~[k<-
最后的布局是: 9MA/nybI
Add S@;>lw,s!
/ \ CJ0j2e/
Divide 5 YFgQ!\&59
/ \ :J` *@cDn
_1 3 [ah%>&u
似乎一切都解决了?不。 {t`UV,
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。 =o]V!MW
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。 Rda o
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: 'eg?W_zu
9^l_\:4
template < typename Right > (%]&Pe]
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const l@7Xgsey
Right & rt) const V4'G%!NY
{ 1^rODfY 0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); $[txZN
} nsk`nck
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 %cJ]Ds%V
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 +~mBo+ ,
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 .OA_)J7
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Q|Uq.UjY
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 r168ft?c
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? gn"_()8cT
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: mwLp~z%OX
#"% ]1={b
template < class Action > 6?OH"!b2-}
class picker : public Action "pTyQT9P
{ [X[d`@rXv
public : |u,2A1
picker( const Action & act) : Action(act) {} Q)x`'[3"7W
// all the operator overloaded ]p>6r*/nw
} ; _q`$W9M+k
vQCRs!A
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。 VKRj
1LXz
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: AA34JVm]
f;M7y:A8q,
template < typename Right > 3#vhQ*xU
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const v
WKUV|
{ \2,7fy'
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); #7K&x.w$
} A|p O
odAeBQy
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 6+HpN"?e
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。 P_)h8-!+ $
D/C,Q|Ya6
template < typename T > struct picker_maker 5]n5nqz
{ fnV^&`BB
typedef picker < constant_t < T > > result; Mrpn^C2)
} ; f6n'g:&.W
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Xi3:Ok6FZ
{ X,d`-aKO\y
typedef picker < T > result; 6u^MfOc
} ; F/;uN5{o
><9E^ k0.
下面总的结构就有了: [U[saR\
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。 J5PXmL
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。 !uoU 8Ki9
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 2VaQxctk
至此链式操作完美实现。 ta\AiHm
'&4W@lvyz
|~vo
七. 问题3 t>;u;XY!;
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。 ],{b&\
qTFktJZw
template < typename T1, typename T2 > =jZ}@L/+
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const mk#xbvvG
{ ``bIqY
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); CC,_I>t
} |f+|OZY
"@IrBi6
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: ./nq*4=
u2crL5^z2)
template < typename T1, typename T2 > .: ~);9kj
struct result_2 Ul#||B .c{
{ 92g#QZs&W
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; --*Jv"/0
} ; mD@#,B7A
|E:q!4?0
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? ;ew j
这个差事就留给了holder自己。 c zTr_>
f
S-(Kmh
.{U@Hva_K
template < int Order > YU! SdT$
class holder; Sb@:ercC,
template <> dd4g?):
class holder < 1 > KG:CVIW
Y
{ +dd\_\
public : VNKtJmt
template < typename T > 4t3Y/X
struct result_1 ]7SX _:'*
{ w7d(|`
typedef T & result; zq ;YE
} ; :ryyo$
template < typename T1, typename T2 > Bn>"lDf,
struct result_2 sp%EA=: E
{ dN'2;X
typedef T1 & result; |#hj O3
} ; r)S tp`p
template < typename T > 8^bc4(H
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ?"oW1a\
{ QkMK\Up
return (T & )r; dg#w/}}m
} alu3CE
template < typename T1, typename T2 > \KmgFyF
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const )3h%2C1uM
{ !V|%n(O"
return (T1 & )r1; ce3w0UeV
} VRr_s:CWK
} ; zMZP3
xir
.Pz( 0Y
template <> RY8Ot2DWi
class holder < 2 > t^N
92$|
{ ){ywk
public : uL`6}0
template < typename T > <A% }
struct result_1 ;%u'w;sgq
{ >cVEr+r9t
typedef T & result; +n#kpi'T
} ; QL_~E;U
template < typename T1, typename T2 > i:8g3|JfMe
struct result_2 '3B\I#
{ {R`,iWV
typedef T2 & result; kVu8/*Q
} ; 2?=R_&0Q
template < typename T > ?|Q[QP
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \2$-.npz
{ w QV4[
return (T & )r; EVovx7dr
} ']'H8Y-M
template < typename T1, typename T2 > l# -4}95
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const
kzZdYiC
{ G=rgL'{
return (T2 & )r2; }B-@lbK6)
} jlhyn0
} ; `jl 1Q,~2r
o;.6Y `-fJ
r3 OTU$t?
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 xLUgbql-
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 3Thb0\<"
首先 assignment::operator(int, int)被调用: =\jp%A1$
fT7Z6$
return l(i, j) = r(i, j); +4[L_
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) S4n ~wo
('SA9JG
return ( int & )i; ZS\jbii8
return ( int & )j; Oa[G
#
最后执行i = j; I/whpOg
可见,参数被正确的选择了。 <<xUh|zE
/FzO9'kj
KY1(yni&8[
v0~'`*|&
zn5U(>=c
八. 中期总结 q7itznQSKc
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: Pfy2PpA
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 3['aK|qk.
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 W(5et5DN,
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor tbx* }uy2
(}$pf6s
0+a-l[!p
?*2DR:o>@
D..dGh.MY
zQ;jaS3hf
九. 简化 s~A#B)wB
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。 O8&