一. 什么是Lambda 5^lroC-(x
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Q*|O9vu'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, |&vQ1o|}
| _/D-m*
V XEA.Mko
9 ![oJ3
class filler vUD,%@k9
{ ~7aBli=
public : ~#3h-|]*
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} UO(B>Abp
} ; .U|e#t
V
{R<R2h1
g
_fvbVX
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: No8 ~~
PGZ .\i
kb<Nuw
u=B_c A}:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 9An_zrJ%i
fRKO> /OT
GFd~..$
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 -AwR$<q'
@@$=MSN
~I<yN`5(a
]Cd1&
二. 战前分析 c|q!C0X[
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。 @7xb/&N
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 IxC/X5Mp^q
}}Ah-QU
seWYY $$
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); c`~aiC`l
/* --------------------------------------------- */ <4s$$Uw}6%
vector < int *> vp( 10 ); NQefrof
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 5
OR L
/* --------------------------------------------- */ >o #^r;
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 9hG)9X4
/* --------------------------------------------- */ Sqj'2<~W
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); w$ Lpuun{
/* --------------------------------------------- */ o_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); F,{M!dL
/* --------------------------------------------- */ F. X{(8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); M##h<3 I
aH<BqD[#
"<b~pfCOQk
F*QZVg+<*X
看了之后,我们可以思考一些问题: .lrI|BH?z
1._1, _2是什么? W,Q"?(+]B
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。 %0 (,f
2._1 = 1是在做什么? hPtSY'_@_
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 :2@@)pr
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。 Sd?:+\bS;
:@KU_U)\
{`fhcEC
三. 动工 1GB$;0 W),
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: sxM0c
]F5?>du@~
U085qKyCw
+T:F :X`
template < typename T > '9cShe
class assignment \IY)2C<e
{ VyK]:n<5Q
T value; 5sui*WH
public : 7m0sF<P{g
assignment( const T & v) : value(v) {} YGrmco?G
template < typename T2 > I12WOL q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } P6w!r>?6N
} ; wic"a
Y<m
c"R`7P
eaP,MkK&
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Bv,u kQ\CH
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment }8cL+JJU
m@o/ W
<;\T
e4g[
xvP<~N-
class holder yiyyw,iy
{ [ 9)9>-
public : \y?Vou/
template < typename T > /NFv?~</k
assignment < T > operator = ( const T & t) const W 0^.Dx
{ A `\2]t$z
return assignment < T > (t); J$6tCFD
} td-2[Sy
} ; $h1`-=\7
9d{iq"*R
%RA8M-
d
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: {>[,i`)
:9H=D^J
static holder _1; 2= FGZa*.
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 B0I(/ 7
6wH]W+A
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); O o9 ePw7
而不用手动写一个函数对象。 /CX_@%m}e=
HRO:U%
vfAR^*7e
Arh0m. w
四. 问题分析 ],ioY*4G
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 @8X)hpHf
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ^t4T8ejn
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 -U;2
b_
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 uPbvN[~t
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Ut4cli&cC
VS0
&[bl
五. 问题1:一致性 l6ayV
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| NT?Gl(
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 1~\YJEsb}d
Up?w>ly
struct holder 8Z{&b,Y4L
{ b%<-(o/
// z
zL@3/<j
template < typename T > +O
P8U]~
T & operator ()( const T & r) const B-`d7c5
{ o= VzVg
return (T & )r; (xw) pR
} e"HA.t[A
} ; @,0W(
Pe[~kog,TP
这样的话assignment也必须相应改动: LwIl2u*
?)<DEu:Y
template < typename Left, typename Right > ^(7<L<H
class assignment !4zSE,1
{ 5X>b(`
Left l; V+My]9ki
Right r; t.|b285e
public : M.|O+K z
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} K?0f)@\nx
template < typename T2 > "<6X=|C
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } {xb8H
} ; p^PAbCP'|3
lA}(63j+b
同时,holder的operator=也需要改动: e]-bB#-A
LAqmM3{fA
template < typename T > @Bs7kjuX
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const F|\^O[#R
{ x*GGO)r
return assignment < holder, T > ( * this , t); yT<6b)&*&
} TZ8:3ti
^hPREbD+f
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 "&(.Z (
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 C}grY5:
ST'M<G%4E
return l(rhs) = r; *
S4IMfp
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 W@<(WI3
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: SSH ))zJ
{&Kck>C'
template < typename Tp > i?"
~g!A
class constant_t .$nQD.X
{ zzlV((8~
const Tp t; h!l&S2)D`
public : :l~^un|<2Y
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} "b)Y 5[nW
template < typename T > vsc)EM ]
const Tp & operator ()( const T & r) const aH7i$U&
{ nn'a`N
return t; !,8jB(
} j>f
} ; [-}LEH1[p
'
lt5|
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 2JY]$$K7
下面就可以修改holder的operator=了 ]o}g~Xn
<Uj~S
template < typename T > epw*Px
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 8nCw1
{ ^5j+O.zgN
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); zJC!MeN
} F91uuSSL
iZsZSW \
同时也要修改assignment的operator() ^e*Tg&
L9(mY `d>"
template < typename T2 > cE(P^;7D
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 9i+OYWUO
现在代码看起来就很一致了。 ~<[$.8*
@ol}~&"
六. 问题2:链式操作 KVQ^-^
现在让我们来看看如何处理链式操作。 }4'5R
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 8%C7!l q
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 S#km`N`
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 @\{L%y%a0
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ybsQ[9_36
C(N' +VV_
template < typename T > aU&p7y4C@
struct result_1 3$<u3Zi6
{ ']Q4SB"q
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; !4"(>Rnw
} ; QH z3
X/< zxM
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: ~SKV%
.`./MRC
template < typename T > 7 'T3Wc
struct ref (i..7B:
{ c*>8VW>
typedef T & reference; }STTDq4
} ; 4oxAC; L
template < typename T > ^,W;dM2
struct ref < T &> n1yIQ8 F
{ Dnx` !
typedef T & reference; \#)|6w-
} ; 0v7#vZ
:#_Ne?\a@
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: j!1
:+H_L
hA'i|;|ZYc
template < typename T > ^/'zU,
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const g=G>4Ua3
{ .DX
return l(t) = r(t); CGyw '0S
} a^{"E8j
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。 YK xkO
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Ry47Fze
xxnvz
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 `!BP.-Zv
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: "2l$}G
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 "Zh3,
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0^lCZ,uq;
最后的布局是: 38<Z=#S
Add <8J_[
S
/ \ CjRU3
(Q
Divide 5 N.~zQVO#R
/ \ #uRj9|E7
_1 3
_'Jz+f.
似乎一切都解决了?不。 L0lqm0h
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 (
* &E~g
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 RpmOg
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: >O;V[H2[
X}V}%
template < typename Right > gWK[%.Jnw
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;?h+8Z/{
Right & rt) const 19h@fA[:
{ #gq!L
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?hC,49
} Lg%3M8-W~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 nrEG4X9
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 9Sey&x
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 gZf8/Tp\z
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 s(.H"_a
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 @PL.7FM<v
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? M)qb6aD0
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: W(#u^,$e[
}Fq~!D
Ee
template < class Action > f(Su
class picker : public Action Xp67l!{v
{ >TQNrS^$J
public : m;4qs#qCg?
picker( const Action & act) : Action(act) {} n^lr7(!6
// all the operator overloaded 3<
'bi}{
} ; 1m~-q4D)V
W9D~:>^YP
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。 BjSd\Ul
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: {D$5M/$
|tr^
`Z
template < typename Right > ;:PxWm|_
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Of}dsav
{ N^Hj%5
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); jk\z-hd
} '.B5CQ
fxQ4kiI
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `GU Gy. b
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。 H`bS::JI-
:<P3fW
template < typename T > struct picker_maker 1c\KRK4
{ C0gY
typedef picker < constant_t < T > > result; agGgj>DDd
} ; 8=MNzcA }
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > PjG^L
FX
{ VPr`[XPXb
typedef picker < T > result; 11iV{ h
} ; Y*QoD9<T?;
_C3O^/<n4V
下面总的结构就有了: jO0"`|(]s
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。 PcQ\o>0")
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。 fW
w+'xF!
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 O=5q<7PM.
至此链式操作完美实现。 ;#?G2AAv
hiKyU!)Hv
207FD
七. 问题3 fZiwuq!_
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。 eH]9"^>
o
at+Nd K
template < typename T1, typename T2 > 5Q/jI$^h0Z
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const GIvl|
{ $
~Ks!8'P
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 5X73@Aj
} -#Ys67,4N
_)S['[
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: ()Q#@?c~
%"Ia]0
template < typename T1, typename T2 > 6z5wFzJv?q
struct result_2 F};T<#
{ az1#:Go
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; K(,MtY*
} ; _Ie?{5$ng`
T'ei>]y]
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? TD sjNFe3
这个差事就留给了holder自己。 [XhG7Ly
RT.
%\)))
Alk+MwjR
template < int Order > @u@,Edh
class holder; j#jwK(:]
template <> 7?;ZE:
class holder < 1 > P0/Ctke;
{ M`&78j
public : ;4QE.&s`
template < typename T > Urz9S3#\
struct result_1 < V*/1{
{ Y?6}r;<
typedef T & result; dsn(h5,Q'
} ; ,<BV5~T.|
template < typename T1, typename T2 > SyI\ulmL
struct result_2 QM24cm
T
{ ?PYZW5
typedef T1 & result; R; ui
4wg6
} ; 7~~suQ{F4
template < typename T > }X6w"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Iqci}G%r
{ :*ZijN*{)$
return (T & )r; Px3I+VP
} <@$+uZt+
template < typename T1, typename T2 > u2S8DuJ
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const >K<cc#Aa
{ H;seT XL
return (T1 & )r1; Qv<p$Up6
} `MHixQ;j
} ; Q@uWh:
Ob/i_
template <> }9 ]7V <
class holder < 2 > =M6{{lI/
{ 5@J]#bp0M
public : ~3Za"q*0s
template < typename T > HB,?}S#TP
struct result_1 TBIr^n>Z<k
{ -,Js2+QZ#
typedef T & result; ~z(0XKq0d
} ; nsM.`s@V
template < typename T1, typename T2 > %d%FI"!K
struct result_2 P]iJ"d]+X
{ !"ir}Y%
typedef T2 & result; H.;2o(vD
} ; 9^&B.6! 6
template < typename T > azzG
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const V|TD+7.`QB
{ jNI9 .45y
return (T & )r; w9StW94p
} +k
h
Tl:
template < typename T1, typename T2 > P:WxhO/
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 9 ^8_^F
{ OnH3Ss$
return (T2 & )r2; bXeJk]#y
} ILx4[m7
} ; }lXor~_i
DS9-i2
Q-B/SX)!/
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> >。 4:Oq(e_(
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: OrF.wcg
首先 assignment::operator(int, int)被调用: jZQ{XMF
P'o]#Az
return l(i, j) = r(i, j); B6j/"x6N15
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) oVr:ZwkG3
w5yX~8UzJ
return ( int & )i; 505ejO|
return ( int & )j; @r^s70{}
最后执行i = j; l$kO%E'
可见,参数被正确的选择了。 ~xv3R
#]Lodo9rS\
|&@`~OBa
r/@ Wn
i8KoJY"
八. 中期总结 -GMaK.4=
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: mHAfK B
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 DZ1.Bm0
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 )G;Hf?M
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor As5-@l`@
E#3tkFF0Z[
3}8L!2_p
*7=`]w5k1
PJ=| g7I
r,3\32[?
九. 简化 R)4,f~@"
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 >Q'*~S@v3
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 |#{ i7>2U
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: *VHWvj
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 H!6+x*P0
+-*/&|^等 4e?bkC
2. 返回引用。 H DD)AM&p
=,各种复合赋值等 &EYoviFp
3. 返回固定类型。 >j7]gi(
各种逻辑/比较操作符(返回bool) t3g+>U_m
4. 原样返回。 w ~"%&SNN
operator, E^gN]Z"O
5. 返回解引用的类型。 ?bu=QV@
operator*(单目) p5py3k
6. 返回地址。 u\MxQIo'u
operator&(单目) '@
p464
7. 下表访问返回类型。 :xTm-L
operator[] (74y2U6
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 V2xvuDHI
operator<<和operator>> ?S9vYaA$
a@Zolz_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。 e2BC2K0
例如针对第一条,我们实现一个policy类: f`*VNB`
WgG$ r
template < typename Left > )#1!%aQ
struct value_return I;1)a4Xc4R
{ 2ga8 G4dU
template < typename T > Sk C.A?
struct result_1 b#"&]s-
{ S>p0{:zM
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; v,8Q9<=O
} ; AC 2kG
I}f7|hYX
template < typename T1, typename T2 > f& \Bs8la
struct result_2 $pKegK;'z
{ xX9snSGz
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; r&Qa;-4Pl
} ; #d<|_
} ; |H]0pbC)w
1G67#L)USq
#0Uz1[
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait o2hk!#5[4
Ycx}FYTY
下面我们来剥离functor中的operator() xtIF)M
首先operator里面的代码全是下面的形式: #_`qbIOAj
eMdf[eS
return l(t) op r(t)
hSXJDT2
return l(t1, t2) op r(t1, t2) Jf0i$
return op l(t) |:Maa6(W
return op l(t1, t2) 0*9xau{(
return l(t) op ho B[L}<c
return l(t1, t2) op ()w;~$J
return l(t)[r(t)] @HSK[[?
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] ;<