一. 什么是Lambda q4v:s
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 r
uIgo B
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, (3~^zwA
eD8e0
D'S
3m$ck$
I^HwXp([
class filler yb,X
}"Et
{ BS
]:w(}[
public : ZQ>Q=eCs 1
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} /P Tq.
} ; &*745,e
M2\c0^R
=K_&@|f+B
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: t1NGs-S3
K>C@oE[W
v!$:t<-5N
@1xIph<z
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); :5BCW68le
nSRNd
A
7dv!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 RB6Q>3g
Kr[oP3
"
%qr*|
~FQHT?DAo
二. 战前分析 mkhWbzD'S
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 q!W=U8`
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Y`#6MhFT7
~KV{m
/]U;7)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); {> <1K6t
/* --------------------------------------------- */ ANJL8t-m
vector < int *> vp( 10 ); *[m:4\
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); t{QQ;'
/* --------------------------------------------- */ *l;S"}b*,_
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); O=*,
/* --------------------------------------------- */ [$pb
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Zw _aeJ
/* --------------------------------------------- */ )2#&l
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 3fA+{Y8S
/* --------------------------------------------- */ 1)jeawVmj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); KVr9kcs
ijUu{PG`X
4HR36=E6
@56*r@4:q
看了之后,我们可以思考一些问题: k14<E/
1._1, _2是什么? 1X7GM65#
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。 >MSK.SNh
2._1 = 1是在做什么? "}#%h&,
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。 NbTaI{r
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。 /qMnIo
<:NahxIlu
4/k`gT4
三. 动工 v+[S${
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: S,ea[$_
UCK;?]
Xdo\DQn
PTLlLa85<
template < typename T > )Tp"l"(G
class assignment dvqg H
{ rsLkH&aM
T value; 3 o$zT9j
public : (_8.gS[
assignment( const T & v) : value(v) {} x,]x>Up
template < typename T2 > <7SE|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ('Qq"cn#
} ; iETUBZ
]s\vc:cc?
ACi,$Uq6R
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ot[ZFF\
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment }Hq3]LVE
6W{Nw<
>
Xh=P%
8Iu6r}k?~`
class holder o $W@@aM
{ s~2o<#
public : ?jUgDwc(w
template < typename T > i{TPf1OY`M
assignment < T > operator = ( const T & t) const yYYP;N?g4k
{ ~tyqvHC
return assignment < T > (t); U~)5 {
} _h5d~
} ; )^AZmUYZ
)B"{B1(
cu
foP&
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: |9\i+)C
|;xEKnF
static holder _1; A{J?I:
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 i%.k{MY
F-rhxJd
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); vs[!B-
而不用手动写一个函数对象。 Yj>4*C9
>6jal?4u-
"_\"S
Khi;2{`
四. 问题分析 F~fBr
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 dm[cl~[
Q
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 8y<.yfgG
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 l+>Y
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 l7jen=(Zb;
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ?%$O7_ThvA
F nXm;k,9*
五. 问题1:一致性 9x!kvB6
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?| mj e9i
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ym%` l!
W)bSLD
struct holder .=Oww
{ }Vob)r{R@
// >A X_"Q~
template < typename T >
K];]
T & operator ()( const T & r) const Qt{){uE
{ -K?lhu
return (T & )r; 7F0J*M
} |yO%w #
} ; T=u"y;&L
WwTl|wgvyI
这样的话assignment也必须相应改动: (|Gwg \r
gAorb\iJ
template < typename Left, typename Right > _,60pr3D'
class assignment u8KQV7E
{ Qx,#Hj
Left l; IMbF]6%p(
Right r; Be@g|'r
public : !ITM:%
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} h M7 SGEV
template < typename T2 > !9NF@e'&!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } frPQi{u$
} ; #`gX(C>
(0Br`%!F
同时,holder的operator=也需要改动: kP[fhOpn
us?q^>u
template < typename T > |wv+g0]Pg^
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const %La7);SeY
{ WvT H+
return assignment < holder, T > ( * this , t); ysG1{NOl
} 2e1%L,y{W
*5oQZ".vA*
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。 WgR%mm^
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 N".BC|r
>SvS(N{
return l(rhs) = r; =>c0NT
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。 B,_K mHItd
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: zF^H*H
e8dZR3JL
template < typename Tp > r`<e<C
class constant_t "@^<~bw
{ Uaux0W
const Tp t; zE1=P/N
public : BaI-ve
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Hs8JJGXWB
template < typename T > J`0dF<<{[y
const Tp & operator ()( const T & r) const c-&Q_lB
{ qzO Rv
return t; z7XI`MZN^
} Wd!Z`,R
} ; s 7wA3|9
@<$m`^H
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 D`[@7$t
下面就可以修改holder的operator=了 LNR1YC1c
w/ZP.B
template < typename T > :d35?[
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const {na>)qzKP
{ }jC^&%|
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); MtPdpm6\
} /^jl||'H,:
vs+aUT C\
同时也要修改assignment的operator() P8h|2,c%
V\L%*6O
template < typename T2 > 'L7u`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } GY@:[u.&
现在代码看起来就很一致了。 seAPVzWUU
<w*WL_P
六. 问题2:链式操作 'J0I$-QYk
现在让我们来看看如何处理链式操作。 0/|Ax-dK
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 -{Ar5) ?='
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 N<4 nb
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 wBw(T1VN
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct V>obMr^5
?-2s}IJO
template < typename T > M~`^deU1
struct result_1 X-"
+nThMn
{ u.n'dF-
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; +Tx_q1/f5X
} ; P{%Urv{U
9dAtQwGR"6
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: =~W=}
Vh=U/{Rp1
template < typename T > >L "+8N6
struct ref "WtYqXyd
{ jK[*_V
typedef T & reference; 3HcduJntl
} ; 4bw4!z9G
template < typename T > Q1yXdw
struct ref < T &> r: >RH,
{ s~>1TxJe
typedef T & reference; -O1$jBQS
} ; KTot40osj
]o=ON95ja
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: A1Uy|Dl
W?kJ+1"(
template < typename T > ?VRsgV'$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const B6Ajcfy
{ A*/8j\{n
return l(t) = r(t); 2,g4yXws5
} !J@!2S9
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。 o-l-Z|)7
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1\aTA,
zv;xxAX
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 1$C?+H
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: [ "3s
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 uH'? Ikx"
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 {{M/=WqC
最后的布局是: |`o1B;lc
Add 84e8z {
/ \ #6D>e~>n
Divide 5 !m-`~3P#l,
/ \ xw_)~Y%\
_1 3 ,#GB
似乎一切都解决了?不。 +Q);t,
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。
f.aa@>
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 o37oR v]
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 1HAnOy0
?Y8hy|`
template < typename Right > H%rNQxA2 +
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 7 j=KiiI
Right & rt) const 0#uB[N
{ ,~1k:>njY~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ln8NcAEx
} 6dz^%Ub
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 R'>@ja*
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 VMJaL}J]
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 TKAs@X,t
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ?)k]Vg.
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 }KIS_krs
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? kRX?o'U~C
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: )YAU|sCAi$
@0t[7Nv-1
template < class Action > HB}rpiB
class picker : public Action hp9LV2_5
{ HOPy&Fp
public : ,5}w]6bCr
picker( const Action & act) : Action(act) {} xJ. kd
Tr
// all the operator overloaded qS!N\p~>
} ; h qjjd-S0
}}~a4p>%
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。 uG6.(A1LM
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: c@}t@k
zYY]+)k?
template < typename Right > 9=T;Dxn
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const <Y1Plc
{ W
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); UXpp1/d|e
} V!^0E.?a
HKT, 5
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 5n}<V-yJ*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。 vo*oCfm
vS0 ii
template < typename T > struct picker_maker ~;Y Tz
{ h| wdx(4
typedef picker < constant_t < T > > result; .RFH@''
} ; Q25VG5G
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > q
jc4IW t~
{ HZWt>f
typedef picker < T > result; $*%,
} ; #(Gz?kGAH`
gSw<C+
下面总的结构就有了: $rr@3H+
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。 )qbkKCq/FB
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。 1kL8EPT%o
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 {xov8M
至此链式操作完美实现。 OM\1TD/-
L{8_6s(:
z5M6
七. 问题3 a4 N f\7
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。 vFntzN>#
>|kD(}Axf
template < typename T1, typename T2 > 8Ala31
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 0D@ $
{ `=#jWZ.8m
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); -mRgB"8
} $>O~7Nfst7
|%XTy7^a
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: 2 Kjd!~Z$
23L>)Q
template < typename T1, typename T2 > 3s%ND7!/
struct result_2 *OFG3 uM
{ z_ycH%p
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; X`Q+,tx$
} ; llX `
q: FhuOP
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? wv{ Qx^
这个差事就留给了holder自己。 *4`5&) `
h`1<+1J9
' :B;!3a0d
template < int Order > N2A6C$s
class holder; MU
a[}?
template <> }p2iF2g9`
class holder < 1 > ~d]v{<3
{ }5oI` 9VT
public : 6 V0Ayxg7
template < typename T > #Iz)Mu
struct result_1 T*C25l;w
{ 9c)#j&2?H
typedef T & result; \N0vA~N.
} ; ~>=.^
template < typename T1, typename T2 > EyPJ Jc8
struct result_2 o$.#A]Flb
{ %CiF;wJ
typedef T1 & result; %w65)BFQ
} ; 5>f"
template < typename T > xWzybuLp
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const }BlyEcw'aN
{ ^*.$@M
return (T & )r; (Fzy8
s
} {ac$4#Bp[B
template < typename T1, typename T2 > B0Wf$
s^7t
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const raPOF6-_rH
{ /y-D_
return (T1 & )r1; R~oJ-}iYX
} L4/ns@e
} ; :zKW[sF
KZ7B2
template <> /OztkThx=
class holder < 2 > 3O$l;|SX
{ cl^UFlf[
public : BNdq=|,+"
template < typename T > F-|DZ?)k5
struct result_1 W$hCI)m(
{ ~q566k!Ll!
typedef T & result; 3?FY?Q[
} ; K _VIk'RB
template < typename T1, typename T2 > Wu$ryX
struct result_2 j
"<?9/r
{ 49*f=gpGj2
typedef T2 & result; M{24MF
} ; Cu#n5SF*
template < typename T > /(s |'"6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const geyCS3
:p
{ X2Ak
return (T & )r; 1w7tRw
} ZiuD0#"!
template < typename T1, typename T2 > L D[\eJ_
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const e#HPU
{ AJi+JO-
return (T2 & )r2; cN&Ebn
} )'n@A% B
} ; s 7 nl
n^[a}DX0
$||WI}k3V
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 n+=qT$w)
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: tP|/Q5s
首先 assignment::operator(int, int)被调用: g$GGo[_0
QoxYzln
return l(i, j) = r(i, j); i.6 b%
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) L-?ty@-i
tdRvg7v,N%
return ( int & )i; K]$PRg1|3
return ( int & )j; kfas4mkc
最后执行i = j; xwD` R*
可见,参数被正确的选择了。 h!SsIy(
> .NLmzUX
kB@gy}
"|(.W3f1
afX|R
八. 中期总结 y_L8i[
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: hev;M)t
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 &Pme4IHtm
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 YNV,
dKB
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor MUl7o@{'
9oc_*V0<
-51LF=(!L
'-A;B.GV%
u4FD}nV
}d;2[fR)
九. 简化 J(}PvkA
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。 yOz6a :r
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 H'#06zP>5
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: MkMDI)Y|
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 fD[O
tc
+-*/&|^等 [(Z(8{3i
2. 返回引用。 O#;sY`fy_M
=,各种复合赋值等 39O rY
3. 返回固定类型。 oQ-m
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 4r4 #u'Om
4. 原样返回。 f@YdL6&d-
operator, N4,oO H~
5. 返回解引用的类型。 #b*4v&<
operator*(单目) &C