一. 什么是Lambda Hm'aD2k
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 r"!xI
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, K(#O@Wmjq
8'M:uI
{a0yHy$H
IXpn(vX
class filler zy`T!
$
{ r3dGXiu
public : ) uTFId
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} O=}d:yZb!
} ; hA1p#
L&0aS:
YySo%\d
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: *uoO#4g~
6&o?#l;|
*p0Kw>
Sym}#F\s
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); o(yyj'=(
Id=V\'$o
%D3Asw/5a
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Nx"|10gC
M9Xq0BBu
Of>2 m<
\. a 7F4h
二. 战前分析 $f=6>Kn|^]
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。 ~l}\K10L*
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 5zz">-Q !
>qZl
s'
3)y=}jw
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 06z+xxCo
/* --------------------------------------------- */ aSMoee@!
vector < int *> vp( 10 ); 4UHviuOo8
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); B.:1fT7lI
/* --------------------------------------------- */ z9E*1B+
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); <R?S
/* --------------------------------------------- */ <m~{60{
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); zKT4j1h
/* --------------------------------------------- */ [qU`}S2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Dt\rrN:v
/* --------------------------------------------- */ CA5T3J@vAQ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); a n0n8l
$'<FPbUtD}
*U-:2uf
T+oOlug
看了之后,我们可以思考一些问题: B!U;a=ia
1._1, _2是什么? @VQ<X4Za
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 l{*Ko~g
2._1 = 1是在做什么? _*Ej3=u
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 e.fxB
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 &+3RsIlW
H5*#=It
10xza=a
三. 动工 a(LtiO
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ,(&Fb~r]
M 5$JB nN
@`ii3&W4
A4(k<<xjE
template < typename T > jig3M N
class assignment bd H+M?k
{ I%NeCd
T value; m\70&%v
public : ]Ljb&*IEj
assignment( const T & v) : value(v) {} lOM8%{.'_x
template < typename T2 > KTBtLUH]*F
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } _mJhY0Oc
} ; 5H1N]v+
'bsHoO
w|Ry)[
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 .PV(MV
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment _%Yi^^
kP'm$+1or
p:W{c/tV
5nTcd@lX
class holder ":q+"*fy
{ *Ms&WYN-
public : !2>@:CKX
template < typename T > jFip-=T{4
assignment < T > operator = ( const T & t) const /nv+*+Q?d
{ :dNJ2&kJ
return assignment < T > (t); .FV^hrJxI;
} 4LW~
} ; 9hssIZO
KuW>^mF(I
)FPn_p#3]
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: 3hxV`rb
6}VFob#h8
static holder _1; e=aU9v
L
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 9Ofls9]U
aqWlX0+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Djdd|Z+*{
而不用手动写一个函数对象。 g*`xEb='
Q*M(d\V s
\w"~DuA
*K|ah:(r1\
四. 问题分析 BO7XN;
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。 JVxja<43
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。 q"oNFHYPDs
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 W\j)Vg__e
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 TD%L`Gk
下面我们可以对这几个问题进行分析。 k"C'8<T)'
l}r 9kS
五. 问题1:一致性 hg#O_4D
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?| 0S9~db
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 I>##iiKN
7\[fjCg\w
struct holder 3o0ZS^#eB
{ qozvNJm)
// y. 1F@w|
template < typename T > 2i;ox*SfpU
T & operator ()( const T & r) const UO#`Ak
{ QleVW
return (T & )r; z@w}+fYO
} >]&Ow9-
} ; u~2]$ /U
k{=dV
这样的话assignment也必须相应改动: +S[3HX7H
Z[ &d2'
template < typename Left, typename Right > 13w(Tf
class assignment 4T;<`{]
{ $d!Vx m
Left l; H5 &._
Right r; bM5o-U#^ C
public : (xoYYO
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} U]w"T{;@.)
template < typename T2 > KV$4}{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } FvG?%IFM
} ; c8Ud<M .
Zd%wX<hU"
同时,holder的operator=也需要改动: XogCq?_m
v;U5[
template < typename T > Gi#-TP\
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const %vm_v.Q4)
{ X,#~[%h$-=
return assignment < holder, T > ( * this , t); ZO%iyc%
} Hb::;[bm:
iRlpNsN
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。 1_A_)l11
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 |$e'yx6j
,G5[?H;ZN
return l(rhs) = r; HZ2W`wo
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 {:#nrD"
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: >iRkhA=Vg
,|}mo+rb-
template < typename Tp > V=% ;5/
class constant_t 9jX_Eoxy
{ >KvK'Mus/
const Tp t; ^Y+Lf]zz*
public :
-{8K/!
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} #.[eZ[
template < typename T > KX7fgC
const Tp & operator ()( const T & r) const B2P@9u|9
{ CaO-aL
return t; P9f`<o
} |FM*1Q[1
} ; <Z<meB[g
a'/i/@h
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 h.F=Fhx/1
下面就可以修改holder的operator=了 k4hk*
0Jq
+xU( {/
template < typename T > j7Ts&;`[*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const rUmP_
{ FMI1[|:;
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); \!BVf@>p%
} 1^E5VG1[
!U>WAD9
同时也要修改assignment的operator() vNrn]v=|}7
Z
b$]9(RS
template < typename T2 > 6}e*!,2Xj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } pr7lm5
现在代码看起来就很一致了。 #vxq|$e
7pciB}$2
六. 问题2:链式操作 qt*+ D
现在让我们来看看如何处理链式操作。 0V21_".S
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。 X?wZ7*'1
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。 Bf;_~1+vLG
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。 |*UB/8C^/!
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct u4w!SD
z\A
),;
template < typename T > {GLGDEb
struct result_1 jBOl:l,+
{ n=C"pH#
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; m,!SDCq
} ; fFqYRK
Iia.`"S
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: A;RV~!xx
.#$2,"8
template < typename T > }aR}ZzK/v
struct ref UO@K:n
{ VZI!rFac
typedef T & reference; 1ONkmVtL
} ; gCC7L(1
template < typename T > t(-,mw
struct ref < T &> Z%:>nDZV
{ |g)>6+?]W
typedef T & reference; I4?oBq
} ; \|HNFx T`
z]+L=+,,
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Ec3tfcNhR
;%^=V#
template < typename T > G%t>Ll``C
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const j;Z?q%M{6
{ M?%x=q\<
return l(t) = r(t); 0FI
|7
} -[
gT}{k!
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ix4]^
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 _3yG<'f[Y
bNVeL$'
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 9yC22C:
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: `>)Ge](oN
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 LrbD%2U$j5
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 w"s@q$}]8M
最后的布局是: SnmUh~`L~
Add o?hr>b
/ \ z77>W}d
Divide 5 @:9Gs!!
/ \ Gb\PubJ
_1 3 diY7<u#
似乎一切都解决了?不。 R8Vf6]s_
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。 Q'jw=w!|g
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。 ikV;]ox
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: mL48L57Z
Q}L?o
template < typename Right > ^.!jD+=I
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const hyf
;f7`o
Right & rt) const 71{jedT
{ \>-
M&C
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 3wq<@dRv4
} -m%`Di!E
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 `z0q:ME
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。 @nY]S\if
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。 src+z#
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。 `{G&i\"n
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。 >9dD7FH
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? !
I0xq"
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: 7}UG&t{
\xCCJWek
template < class Action > h&$h<zL[
class picker : public Action yEI@^8]s
{ ezp%8IZ;
public : ^0OP&s;"
picker( const Action & act) : Action(act) {} bTaKB-
// all the operator overloaded i9DD)Y<
} ; c_D(%Vf5
_b~{/[s
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。 @I`^\oJ
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: hDW!pnj1
|j`73@6
template < typename Right > nOGTeKjEJ
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const jRS{7rx%MH
{ `Zm6e!dH-
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); WI/tWj0
} Ec@n<KK#
2+
cs^M3
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > P.,U>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。 6p)AQTh>
Q,&Li+u|
template < typename T > struct picker_maker 5dj@N3ZX7;
{ -{xk&EB^$5
typedef picker < constant_t < T > > result; Nhjq.&
} ; "+ou!YK+
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > <ukBAux,D
{
>Q\Kc=Q|
typedef picker < T > result; E=p+z"Ui
} ; Y"GNJtsL "
n|~y
>w4
下面总的结构就有了:
:-46"bP.
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 PC#^L$cg}
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。 #_wq#rF
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 $ s/E}X
至此链式操作完美实现。 ,KW
Q
6
9qB0F_xl
q*l4h u%3
七. 问题3 S%i^`_=Q
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。 ZNX38<3h
V*uE83x1
template < typename T1, typename T2 > |1~n<=`Z
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 'p&,'+x
{ qUkMNo3
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6:7[>|okQ
} ;=ddv@
,_Z(!|
rW
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: /uwi$~Ed
_qxI9Q}<"
template < typename T1, typename T2 > J~k9jeq9
struct result_2 5 8bW
{ Rqh5FzB>
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; W&?Qs=@
} ; 4N,mcV
EO&Q
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? $oK&k}Q
这个差事就留给了holder自己。 *|fF;-#v
+(3_V$|Dv
Pb#M7=J/
template < int Order > g"! (@]L!@
class holder; "?I#!t%'
template <>
}X&rJV
class holder < 1 > <-umeY"n>
{ Wh)D_
public : YX0ysE*V:&
template < typename T > ;.A}c)b
struct result_1 AG N/kx
{ i+*!"/De
typedef T & result; P=QxfX0B
} ; 'r?ULft1
template < typename T1, typename T2 > ~zqb{o^pT
struct result_2 ?l0eU@rwQ
{ E7:xPNU
typedef T1 & result; Iux3f+H
} ; @Jzk2,rI
template < typename T > +xFn~b/
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const *;o%*:
{ 6p9fq3~7Y
return (T & )r; \#{PV\x:Nn
} *;Jb=
template < typename T1, typename T2 > /T w{JO#Q
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const C$OVN$lL`8
{ 6>a6;[
return (T1 & )r1; gxv^=;2C
} m\L`$=eO8
} ; lB,1dw2(T
q<JCgO-F<
template <> ;w7 mr1
class holder < 2 > y6XOq>
{ )U@9dV7u
public : utlr|m Xc
template < typename T > 53HA6:Q[
struct result_1 [FO4x`
{ ~||0lj.D
typedef T & result; 6hxZ5&;(*
} ; a+w2cN'
template < typename T1, typename T2 > QNj]wm=mp
struct result_2 {M]_]L{&7
{ D}_.D=)
typedef T2 & result; Nd~B$venh
} ; s2;~FK#/
template < typename T > uoS:-v}/Y~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const G{U#9
{ IiU> VLa
return (T & )r; i\i%WiRl
} U\KMeaF5e-
template < typename T1, typename T2 > M.W
X&;>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const T
ozx0??)
{ (bsx|8[
return (T2 & )r2; |&; ^?M
} QL?_FwZL
} ; z
6:Wh
0HzqU31%l@
hyI7X7Hy
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> >。 (8duV
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 9LDv?kYr
首先 assignment::operator(int, int)被调用: k9Pvh,_wp
hbw(o
return l(i, j) = r(i, j); "tJ+v*E
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) I|Oco?Q"
}Q\%tZC#T
return ( int & )i; q~ H>rC(\
return ( int & )j; x/*lNG/
最后执行i = j; YKyno?m
可见,参数被正确的选择了。 >>U>'}@Q
LOh2eZ"n
Q Be6\oq
1Cr&6 't
,"v&r(
八. 中期总结 cU1o$NRx
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: LP2~UVq
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 [h/T IGE\
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ;Shu
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor l A ^1}
b9bIvjm_
[&)]-2w2
OUX7
*_
v=U<exM6%
]G/m,Zv*:
九. 简化 =RoG?gd{R
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 3$|/7(M&DA
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Pvxb6\G&d
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: -`O{iHfM|P
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 f1 ;
+-*/&|^等 VD;*UkapZx
2. 返回引用。 ^HKXm#vAB
=,各种复合赋值等 oaIk1U;g
3. 返回固定类型。 ~k"+5bHa*
各种逻辑/比较操作符(返回bool) '6so(>|
4. 原样返回。 g'"~'
operator, #}`sfaT
5. 返回解引用的类型。 ~6G
`k^!
operator*(单目) R~vGaxZ$
6. 返回地址。 BoD{fg
operator&(单目) D6"=2XR4n
7. 下表访问返回类型。 -l^<[%
operator[] j*{0<hZb}
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ,}oAc
operator<<和operator>> ;Afz`Se1@
b^o4Q[
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。 b8mH.g&l
例如针对第一条,我们实现一个policy类: PDNl]?
b1&