一. 什么是Lambda zGm#erE
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 [(%6]L}
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, ] qT\z<}
(``EBEn
-K+" :kiS
o;.6Y `-fJ
class filler d[h2Y/AR
{ <:v2N/i
public : PQ}q5?N
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} #w2;n@7;X
} ; /jBjqE;_
'%JIc~LJ
["5Z=4
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: #2N']VP
{|Ew]Wq
-}2'P)Xp
ZS\jbii8
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ?kOtK
YA7h! %52)
~d+.w%Z`
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 v% mAU3M
B/P E{ /
RTHe#`t
Ww8C}2g3
二. 战前分析 v0~'`*|&
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。 YMlnC7?_/
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 XYBvM]
~;m3i3D
w
Pk\dyP
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 3['aK|qk.
/* --------------------------------------------- */ <"Ox)XG3]W
vector < int *> vp( 10 ); %t*_Rtz\o
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); B hO*Pfs
/* --------------------------------------------- */ Dgb@`oo
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 0+a-l[!p
/* --------------------------------------------- */ ba=-F4?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); );8Nj
zX1
/* --------------------------------------------- */ Gp0B^^H$
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 'X()|{
/* --------------------------------------------- */ {'.[N79xP
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); b^SQCX+P
x,f=J4yco
ZGstD2N$
3^ct;gz
看了之后,我们可以思考一些问题: \I!C`@0
1._1, _2是什么? 5xHP5+&
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&<_&
2._1 = 1是在做什么? 9Ai e$=
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 W%3<"'eP
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 ~EYsUC#B_
m7GM1[?r
+[ +4h}?
三. 动工 O
WJv<3
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: YQ\c0XG
-r.Qy(}p
lT`y=qR|
;zMZ+GZ?;+
template < typename T > #FAy
]7/O
class assignment xWZ87
{
j -H2h
T value; b7]MpL
public : GFq,Ca~
assignment( const T & v) : value(v) {} AW;ncx;
template < typename T2 > 7W)*IJ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } I$rnW
} ; qy]tuKZI
EWI2qaSnO
NuL.l__W
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 scXY~l]I*
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment B)q 5m
y
K2'Il[
Thlqe?
;x]CaG)f
class holder 'Gr}<B$A3
{ [iT*L)R4
public : i!|OFU6
template < typename T > 2{- };
assignment < T > operator = ( const T & t) const xI'sprNa_1
{ vpnOc2 -
return assignment < T > (t); iSiez'
} D-v}@tS'
} ; LqDj4[}
+2qCH^80
~8A !..Z
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: n`W7g@Sg#I
(IE\}QcK
static holder _1; p3Ey[kURp
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ;J]Lzh
j'2:z#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8p91ni'
而不用手动写一个函数对象。 '}F=U(!
R
v9?<]
<z N
k]<
四. 问题分析 47_4`rzy;
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 y2V9!
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 0s = h*"[
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 _=Y]ZX`j
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 G7k0P-r,0
下面我们可以对这几个问题进行分析。 B$k<F8!%
M}4%LjD
五. 问题1:一致性 n4%|F'ma
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?| 9?r|Y@xh ]
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 p6[a"~y
v]g/
5qI&
struct holder ?;.j)
{ l=5(5\
// ?H7*? HV
template < typename T > %}cGAHV
T & operator ()( const T & r) const @v9PI/c
{ 9`\hG%F
return (T & )r; kZ+nL)YQ#
} (US]e
un
} ; "U34D1I)#
QP|Ou*Qm)
这样的话assignment也必须相应改动: 59";{"sw
SsDz>PP
template < typename Left, typename Right > CG IcuHp
class assignment DO(-)izC
{ 22|eiW/a
Left l; hS&,Gm`^
Right r; cb l@V 1
public : 0U]wEz*b
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ]{Vq;
template < typename T2 > k,M%/AXd
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } `pF|bZ?v
} ; $rDeI-)S
\4I1wdd|^
同时,holder的operator=也需要改动: m;{_%oQ;
goi.'8M|/b
template < typename T > qIK"@i[
uq
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const vpx8GiV
{ R8UtX9'*sa
return assignment < holder, T > ( * this , t); r00waw>C\
} Lm\N`
o:_}=1nh
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 z
%` \p
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 _{&znXf>?6
i$)bZr\
return l(rhs) = r; QJp
_>K
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。 Kxz<f>`b/
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: +T=Z!2L
8 s!0Z1Roc
template < typename Tp > =6imrRaaV
class constant_t j$^3
{ 5+b[-Daz
const Tp t; Gvv~P3Dm
public : y5iLFR3z
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} O5{!CT$
template < typename T > U?JZ23>bbw
const Tp & operator ()( const T & r) const "T@9]>6.f
{ /K2VSj3\
return t; 0Psp/H%
} M hNzmI&`
} ; =v=a:e
<Bb$d@c
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 mv%fX2.
下面就可以修改holder的operator=了 8I$B^,N
k_#ra7zP
template < typename T > |E0>-\6
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const :j9{n ,F
{ K>6#MI
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); :\L{S
} Oga0CR_
Bvzl*
&?
同时也要修改assignment的operator() Q.#@xaX'{`
V"(S<o
template < typename T2 > f:\jPkf'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Kvv&# eO\
现在代码看起来就很一致了。 z+FhWze
sXOGIv
六. 问题2:链式操作 4%~$A`7
现在让我们来看看如何处理链式操作。 {o<
4 ^
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ~"!F&
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 mb~w .~%
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 AZz
}
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct FiJJe
buX$O{43I
template < typename T > |Y|{9Osus
struct result_1 *O,\/aQ+
{ 2<)63[YO
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; LF* 7;a
} ; "AP''XNi
~ z*
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: VS@o_fUx)
1u75
template < typename T > J/8aDr(+
struct ref V;mKJ.d${
{ Q7UFF
typedef T & reference; lidzs<W-fW
} ; [[P?T^KT
template < typename T > _C~e(/=z
struct ref < T &> P\KP )bkC
{ , .uu/qV}w
typedef T & reference; 1i4KZ"A5+
} ; GiJ|5"
<Z5ak4P
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: nD6mLNi%a
!]1X0wo\
template < typename T > meunAEe
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const |d^r"wbs3
{ Qb}7lm{r
return l(t) = r(t); R r! PU
} ~l"70\&
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 %}jwuNGA
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1];rW`Bw
%^s;{aN*!
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ^ZnlWZ@r
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: N1$lG?
)+
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 'W>Bz,M6yo
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Uf)?sz
最后的布局是: |S48xsFvq
Add tu\;I{h=0
/ \ "&?F6Pi
Divide 5 PmOm>
/ \ 2?YN8
n9n
_1 3 ].53t"*
似乎一切都解决了?不。 2%4dA$H#4w
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。 a@ `1 5O:
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。 )&:4//}a
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: WccTR
aq
%7=B?c|
template < typename Right > Pk/{~!+
$
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ETvn$ Jdp
Right & rt) const $z,lq#zzl
{ h(]aP<49L
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); %T@ 3-V_
} xCwd*lsM
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 G)5w_^&%
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 ,jJ&x7ra8
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 -q1vB8gjj
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 2RXU75VY
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 K] ;`
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? K{)N:|y%!$
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: #4S">u
{~NiGHY
template < class Action > [kwVxaI
class picker : public Action ~]X4ru5,4
{ v`3q0,,
public : A41*4!L=
picker( const Action & act) : Action(act) {} p12'^i |
// all the operator overloaded I;iJa@HWQ
} ; :*|%g
|uo<<-\jTO
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。 _kUf[&
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: sYnf
# '
#\9sCnb
template < typename Right > 0'u2xe
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const sLiKcR8^
{ 9sYN7x
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,{wA%Oy,
} +Hx$ABH
Wr+?ul*_
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 1_JtD|Jy
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ?EP>yCR9
( iM*Y"Y
template < typename T > struct picker_maker <Stfqa6FJ
{ vg@kPuOiO
typedef picker < constant_t < T > > result; ~=HrD?-99p
} ; !DsKa6Zj
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > <P&~k\BuF{
{ / J 3
typedef picker < T > result; !Ld0c4
} ; hE.NW
<vS J<WY
下面总的结构就有了: l)y$c}U
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。 ,>(/}=Z.
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。 Y rq-(
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 E?%SOU<
至此链式操作完美实现。 5!WQ
vbT"}+^Sh
p.{9OrH(4
七. 问题3 ?VC[%sjwn
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。 <>3}<i<[&
. ]
=$((
template < typename T1, typename T2 > kmHIU}Z
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const s9t`!
{ EC[2rROn\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); }yM /z
} y&8' V\
Z^t" !oY
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: pfd||Z
_86pbr9
template < typename T1, typename T2 > Yphru"\$
struct result_2 aH@Ux?-}
{ s^5KFK1
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Y{c_5YYf
} ; /8V#6d_
E]zTd$v6
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? 32DT]{-N!
这个差事就留给了holder自己。 3;fuz Kk@b
osKM3}Sb
z[xi
template < int Order > vZEeb j
class holder; Fa
template <> Wi a%rm
class holder < 1 > H.\gLIr
{ |e+8Xz1>
public : _Wcr'*7
template < typename T > J;Y=oB
struct result_1 Mm7l!
{ #vk-zx*v7=
typedef T & result; /_Z--s>j
} ; ?m&?BsW$)
template < typename T1, typename T2 > 4F_*,_Y
struct result_2 \0&7^
{ 'FB?#C %U
typedef T1 & result; *=]hc@
} ; {XC1B
template < typename T > U`gQ7
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const t*<@>] k
{ \^<eJfD
return (T & )r; 9 *>@s
}
2[WH8l+
template < typename T1, typename T2 > :W'Yt9v)
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ;{Cr+lqTJ
{ sGx"ja+
return (T1 & )r1; lR5<
G
} H{*~d+:ol
} ; 2qEm,x'S
N?!]^jI,
template <> V!!E)I
class holder < 2 > KPGo*mY
{ I@dS/
public : 0@w8,x
template < typename T > <uGc=Du
struct result_1 a]NQlsE}l
{ `%
sKF
typedef T & result; rCGyr}(NC
} ; 9|yn{4E
template < typename T1, typename T2 > 7P}&<;5zD
struct result_2 &A=>x
{ S{cy|QD
typedef T2 & result; x!CCSM;q
} ; %E q}H
template < typename T > g~FA:R
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ]MjQr0&M
{
<^j,jX
return (T & )r; 'gYUyl
} 3OUZR5_$
template < typename T1, typename T2 >
3Qt-%=b&
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 98u$5=Z'/
{ ?`PG`|2~
return (T2 & )r2; \iFh-?(
} YEGRM$'`
} ; 8=;'kEU
M7R.?nk
zcCX;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> >。 BbA7X
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 0)/L+P5
首先 assignment::operator(int, int)被调用: o"F=3b~:n
X) lz BM
return l(i, j) = r(i, j); (ly4[G1y
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) >5Vv6_CI0?
@d imZsi1
return ( int & )i; ` <+MR6M
return ( int & )j; d_CY=DHF%`
最后执行i = j; ~(4;P%L:
可见,参数被正确的选择了。 D/1{v
(UWV#AR
Ew>E]Ys
tHezS~t_
XV"8R"u%Q
八. 中期总结 d(u"^NH;
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: qKX3Npw
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Zo}O,;(F5
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ~>:uMXyV2t
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor i
v7^!
\A@Mlpe&t
x9UF
LF\4>(C2g
y; LL^:rq
|E/r64T
九. 简化 +C4UM9
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。 5;{Q >n
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 IbFS8 *a\
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: K.k%Tg[ ~
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 N?]HWP^pg
+-*/&|^等
"<f"r#
2. 返回引用。 ,,_$r7H`
=,各种复合赋值等 |G^w2"D_Z
3. 返回固定类型。 I<p- o/TP
各种逻辑/比较操作符(返回bool) )erI3?k
4. 原样返回。 XcfvmlBoD-
operator, ~ ;CnwG
5. 返回解引用的类型。
jQDXl
operator*(单目) #~(J
J
6. 返回地址。 bb@@QzR
operator&(单目) n#F:(MSOp
7. 下表访问返回类型。 D?yiK=:08`
operator[] !Z f<
j
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 d|T87K>|r"
operator<<和operator>> 7f!"vhCXM;
>)E{Hs
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。 ''Lf6S`4X~
例如针对第一条,我们实现一个policy类: =Kf]ZKj)
~.-o*
template < typename Left > b#ih=qE
struct value_return TGUlJLT
{ -_<rmR[:]
template < typename T > -+9,RtHR7
struct result_1 l_ Eeus
{ <#c/uIN
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; B.O &