一. 什么是Lambda $r.U
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 .=RlOK
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, hXL|22>w<
oY9FK{
GY!C|7kN
!|{IVm/J
class filler mNmUUj9z
{ {aq9i
public : `$;+g ,
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} @uleyB
} ; 3 x*z\VJ
s&PM,BFf
|w&~g9
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: cSD{$B:
93%{scrm
<-C!;Ce{
3!9Z=-tD
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ^JeMuU
f4t.f*#
l[h'6+o
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 .-I|DVHe
Q
s(Bnb;
9(1rh9`=
#*$p-I=
二. 战前分析
!rL<5L
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。 J\co1kO9/
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 n@>wwp
$^% N U
0%C^8%(x
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); A*]$v
/* --------------------------------------------- */ 8v_C5d\
vector < int *> vp( 10 ); x1[?5n6
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); S>:,z}i
/* --------------------------------------------- */ W:s@L#-
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); **;p(CI
/* --------------------------------------------- */ Y*YFB|f?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); eD#XDK
/* --------------------------------------------- */ [I+9dSM1t
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); cnNOZ$)
/* --------------------------------------------- */ v"lf-c
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); gT52G?-
4YA./j%'
P~7.sM
H[&@}v,L
看了之后,我们可以思考一些问题: j~av\SCU*
1._1, _2是什么? VV3}]GjC
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。 QTJu7^O9
2._1 = 1是在做什么? 7nE"F!d+0
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。 `u'dh{,gE
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。 D_D,t8_Y
e<+<lj"
!c(QSf502
三. 动工 d,#.E@Po
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: GrI&?=S^
c. K =(y*
nYw\'c
W4(?HTWZ
template < typename T > )m#']c:rg
class assignment fj']?a!m
{ +oy*Kxs7
T value; ;Rnhe_A.
public : QApyP CH
assignment( const T & v) : value(v) {} BSUPS+@+
template < typename T2 > T_hV%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } !C&%T]
} ; \_ow9vU
]|oJ)5P
.[pUuVq]
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %efGt6&
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment " ~Q*XN2
d0UZ+ RR#
sg?@qc=g
ZXXiL#^
class holder #uvJH8)D
{ =4NqjSH
public : ;bjnL>eW
template < typename T > HYClm|
assignment < T > operator = ( const T & t) const /=T"=bP#/
{ L]-w;ll-
return assignment < T > (t); 4<gJ2a3
} f\o
R:%
} ; /&s}<BMHU
-F`he=Ev9
MOZu.NmO
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: otriif@+Z
Jq1 n0O
static holder _1; >{&A%b4JF
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 VWa|Y@Dc]
`iYc<N`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L,M+sN
而不用手动写一个函数对象。 WmVVR>0V|
ZgYZwc&-
'D6
bmz
|rPAC![=
四. 问题分析 IC~ljy]y_
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。 aqL<v94wX
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。 L#j/0IHD
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Bymny>.M
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 $WaZ_kt
下面我们可以对这几个问题进行分析。 $I8[BYblB
[b1hC ~I;
五. 问题1:一致性 r*d Q5
_
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?| $KQ,}I
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 >>V&yJ_
9k`~x1Y)
struct holder <94WZ?{p
{ 'p)QyL`d
// [x_s/"Md;
template < typename T > uPU#c\
T & operator ()( const T & r) const mw+j|{[
{ CA^.?&CH^O
return (T & )r; fv?45f
} -Enbcz(B
} ; ,cQA*;6
G8P+A1
f/>
这样的话assignment也必须相应改动: d}% (jJ(I
Bbs 0v6&,
template < typename Left, typename Right > /0\QL+^!
class assignment <.$,`m,
{ yWuIu>VJ
Left l; Mjw[:70
Right r; e6m1NH4,
public : $rB!Ex{@ac
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ..$>7y}
template < typename T2 > ,.7vBt6 p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Zd XKI{b
} ; |_I[1%&`N
Wa, 7P2r
同时,holder的operator=也需要改动: m5qCq9Y
m)k-uWc$C
template < typename T > 4k*qVOBa6R
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Nh:4ys!P
{ Ij,Yuo
return assignment < holder, T > ( * this , t); l#ygb|=x
} _UIgRkl.
JU2P%3
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 FvA|1c
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 @7X\tV.Z
QX+Y(P`vMK
return l(rhs) = r; 'A1E^rl]=
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 *vD/(&pQ1:
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: W
U0UG$o`
0#]!#1utg
template < typename Tp > 0STk)>3$-
class constant_t SZE `J:w
{ oVreP
const Tp t; e
sGlMq
public : !xH,y
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} n4R]+&*
template < typename T > b<\G I7
const Tp & operator ()( const T & r) const M;PlSb
{ 8_Jj+
return t; #'KY`&Tw&
} ^@Y9!G=
} ; &gJW6<
6ku8`WyoF
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 d}pGeU'
下面就可以修改holder的operator=了 F*.
/D~K
\CDAFu#
template < typename T > 13\Sh
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const aYR\ <02
{ 9Mnem*
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); CP@o,v-
} n }TTq6B
eoC<a"bJ>
同时也要修改assignment的operator() > `0| X
yq!CWXZ2
template < typename T2 > ~6MMErSj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } (w}r7`n
现在代码看起来就很一致了。 do*Wx2:R
$Q#?`j
六. 问题2:链式操作 37~rm
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ^Jn|*?+l
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 <G&WYk%u*
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ~V!EtZG$
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。 v(a9#bMZU
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct PQQgDtiH
?'T"?b<
template < typename T > P mC82"
struct result_1 VBhE{4J
{ ?3n=m%W,J*
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; tI
`w;e%HN
} ; "3v7 gtGG
+6uOg,;
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: }@3$)L%n_u
:^K~t!@
template < typename T > 1RmBtx\<
struct ref dPRtN@3
{ z=u~]:.1O
typedef T & reference; +7`u9j.
} ; l;XUh9RF`A
template < typename T > TjT](?'o
struct ref < T &> Cx$9#3\
{ BzN/6VEw
typedef T & reference; 3HXh6( e
} ; Lax9
"xI
nIG[{gGX
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Mp!2`4rD
/95FDk>
template < typename T > D5}DV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const pn+D@x#IA
{ 'Dnq+
return l(t) = r(t); n})
} $&bU2 ]
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。 DrW/KU,{+(
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 LPsh?Ca?N
%L.lkRs
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 Pxap;;\
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: :p,c%"8
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 $h C~af6
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 (q055y
最后的布局是: k&n\
=tKN
Add 4U_rB9K$
/ \ \XZU'JIO
Divide 5 SB5@\^
/ \ g8C+1G8
_1 3 =#7s+ d-
似乎一切都解决了?不。 C,V|TF.i2
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。 )tJL@Qo
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。 77)OW$G
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 9t,aT!f
0^-z?Kb<}
template < typename Right > mm3zQ!2j.
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const =9#i<te
Right & rt) const T]5U_AI@
{ Lx9hq7<
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,oy4V ^B&
} T[`QO`\5O
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 V*0Y_ T{_
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 {9y9Kr|(P:
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 LPtx|Sx![
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 +# m
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 F[Qs v54
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? C6Um6X9/i
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: {6REfY
c
@`#OC#
template < class Action > P1M|f4*
class picker : public Action Tom}sFl][
{ jFI]54,
public : {'cs![U
picker( const Action & act) : Action(act) {} bvt-leA=
// all the operator overloaded r>n8`W
} ; g;|
n8]
N9~'P-V
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 +z{x 7
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ."$=
BN bb&]
template < typename Right > UFSEobhg&5
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const O:5ldI
{ 3?-V>-[G_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); LWp?U!N
} LGdf_M-f
0~LnnDN
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > hfVzzVX:
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。 bYRQI=gW':
FuRn%)DA5
template < typename T > struct picker_maker 67EDkknt
{ G>?x-!9qcH
typedef picker < constant_t < T > > result; 5k!(#@a_T
} ; kr &:;
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > J\,@Bm|1n{
{ X F0*d~4
typedef picker < T > result; qCv}+d)
} ; |wl")|b%
|2+c DR
下面总的结构就有了: lUm}nsp=X
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。 lW@:q04Z$
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。 #==[RNM%ap
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 `qQQQ.K7)z
至此链式操作完美实现。 +#2@G}j
`0-m`> 1>
Tg}H < T
七. 问题3 '8iv?D5 M
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。 >Kqj{/SWK
6Wcn(h8%*
template < typename T1, typename T2 > s?z=q%-p
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const V3.vE,
{ e3bAT.P
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Lt
ZWs0l0
} 7i%P&oB
m''i 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: wZ#~+ }T
_'o^@v:
template < typename T1, typename T2 > v:!7n
struct result_2 \p_8YC
{ SK~;<>:37
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; /3bca !O
} ; pRa oR
s2
t-T0;
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? o7Z#,>`2
这个差事就留给了holder自己。 x<j($iv
5 }(YMsUb
(,Zz&3
AV
template < int Order > 1[,#@!k@
class holder; Ib<5u
template <> omDi<-
class holder < 1 > `XRb:d^
{ Ii2g+SlQDa
public : Qc)RrqYNGF
template < typename T > x#!{5;V&K
struct result_1 :D)&>{?
{ M`f;-
typedef T & result; %)!~t8To
} ; %d~9at6-B
template < typename T1, typename T2 > gEe W1:AB
struct result_2 ]f+D& qZ B
{ :7AauoI
typedef T1 & result; mqfEs0~I
} ; =iQ`F$M
template < typename T > Y_TL4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const "#"Fp&Z7
{ % /wP2O<
return (T & )r; 0zkT8'v
} c&iK+qvh{
template < typename T1, typename T2 > -p]`(S%
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const AfbA.-
{ R2Fh^x
return (T1 & )r1; 5d>YE
} 3C5D~9v
} ; + xu/RY_
w[n>4?"{
template <> |<o>$;mZ
class holder < 2 > 8;dbU*
{ WSX@0A.&)
public : z]R!l%`
template < typename T > UEdl"FwM4
struct result_1 I]j/ ab7>
{ dzC&7
9$
typedef T & result; cbHn\m)J,
} ; s9Q)6=mE
template < typename T1, typename T2 > %BP)m(S7
struct result_2 ^zs4tCW %
{ e"8m+]
typedef T2 & result; =xQfgj
} ; "/]tFY%Y
template < typename T > \(v_",
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ucm.~1G(
{ ?;=Y1O7N(
return (T & )r; 9Z_OLai
} q@!H^hd}
template < typename T1, typename T2 > =;?PVAdu%#
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 38.J:?Q
{ yqc(32rF!
return (T2 & )r2; $oBZe>s.
} as47eZ0\
} ; #K~j9DuR
1ROgUJ;
1VM5W!}
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 NCh(-E
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: XIW:Nk!S
首先 assignment::operator(int, int)被调用: &+|4(d1
b5,}w:
return l(i, j) = r(i, j); y5t Ap
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) FZI 4?YD?<
%<o$
J~l~
return ( int & )i; ReGb.pf
return ( int & )j; K*i1! "w
最后执行i = j; Ac(Vw%
可见,参数被正确的选择了。 4I[FE;^
E3C[o! 5
<$Kv^Y *
\EfwS%
P
blkJm9]v
八. 中期总结 &@Gu~)^(
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: m.g@S30
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 vpw&"?T
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 "+JwS
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 5x'y{S<
9%k.GE
OU5|m%CmO
P!&CH4+
.F$AmVTN
SG o:FG
九. 简化 uTt:/gm
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。 FwzA_
nn
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ') cgx9
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: gBS#Z.
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 SX<mj
+-*/&|^等 aC6b})^
2. 返回引用。 F0(Sv\<::
=,各种复合赋值等 ]O `
[v
3. 返回固定类型。 ]6[d-$#^ko
各种逻辑/比较操作符(返回bool) \@t5S
4. 原样返回。 zjZTar1Re
operator, ( #"s!!b
5. 返回解引用的类型。 m8A_P:MQq
operator*(单目) aw~EK0yU
6. 返回地址。 qxr&_r
operator&(单目) `ha:Gf
7. 下表访问返回类型。 ,5"]K'Vce
operator[] 'i-O
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 >o=p5#{
operator<<和operator>> e%Xf*64
D;n%sRq(Z
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 E.bbIV6mQ
例如针对第一条,我们实现一个policy类: YfU#kvE'
k0uwG'(z9
template < typename Left > oKJ7i,xT
struct value_return V-r<v1}M
{ pREYAZh
template < typename T > A>2p/iMc
struct result_1 *g6o ;c
{ c9@jyq_H?
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ng*E9Puu[
} ; A:J{
Xkm2C)
template < typename T1, typename T2 > -d)n0)9
struct result_2 !QspmCo+
{ dkp[?f)x
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; -{%''(G
} ; gQDK?aQX
} ; o+Z9h1z%,
iRtDZoiD'
S:\hcW6
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait Y\|J1I,Z4
l!` 0I] }
下面我们来剥离functor中的operator() I,3!uogn
首先operator里面的代码全是下面的形式: 4TE ?mh}
*v3
|
return l(t) op r(t) 93DBZqN
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ,RO(k4
return op l(t) .p}Kl$K]
return op l(t1, t2) 1hS~!r'qqv
return l(t) op x@}Fn:c!5
return l(t1, t2) op ,O!aRvzap
return l(t)[r(t)] Z$XpoDbOy
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] <]^D({`
L:Eb(z/D
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: PtOnj)Q
单目: return f(l(t), r(t)); KHN
,SB
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); }O
双目: return f(l(t)); l$ 9,
return f(l(t1, t2)); jtY~-@*
下面就是f的实现,以operator/为例 PlUjjJU
mkA|gM[g7
struct meta_divide 7# 3)&"j
{ D:EF@il
template < typename T1, typename T2 > V~Lq,oth
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) sR.j~R
{ .&