一. 什么是Lambda FVMD>=k
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ;d@#XIS&-(
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, P:hBt\5B
<kfnpB=
({ +!`}GY
/?wtF4
class filler nyX2|m&
{ OstQqV%@
public : GiJ *Wp
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Ozw.siD
} ; O+nEXS\rQ
jkQ*D(;p
k)i3
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: W6^5YH%
jqz ux[6{
$6#CqWhI
Je';9(ZK
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ,A9]CQ
LHyB3V
G?9"Y%
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 _Ym]Mj' ln
q?Cnav`DY
3Lfqdqj
SDC4L <!
二. 战前分析 R1s`z|?
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 AKY1o.>z
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 x/%aM1"X^
1]d!~
ru'F6?d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 9-sw!tKx
/* --------------------------------------------- */ gx-2v|pZ
vector < int *> vp( 10 ); vXev$x=w-
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); DMs,y{v
/* --------------------------------------------- */ b
k~(^!R
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Oylf<&knF\
/* --------------------------------------------- */
M#ZcY
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); #9=Vg
/* --------------------------------------------- */ c\/=iVw,
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); :vYYfs&
/* --------------------------------------------- */ E}%B;"b/Tj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); {Je[ZQ$
N'F77
.
gBd]B03
%3s1z<;R[S
看了之后,我们可以思考一些问题: *}Xf!"I#]N
1._1, _2是什么? :Oy%a'w
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。 [m->5H
2._1 = 1是在做什么? SDL7<ZaE
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。 Eu0akqZ
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。 We)xB
XUrXnz|>
PG2: ~$L0
三. 动工 (|F*vP'
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: '"`IC\N^
c& <Fr[AK
dLH(D: `
Upx G@b
template < typename T > .Q<>-3\K
class assignment "x%Htq@
{ nz%DM<0$
T value; C=-=_>Q,L<
public : 3W V"U
assignment( const T & v) : value(v) {} zlyS}x@p
template < typename T2 > '-wj9OU
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ( B!uy`
} ; <xup'n^7C
f0!))/rSD
~cWAl,(B<F
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %Celc#v
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Ii6<b6-
CMe
06^U
p}jE
XWnVgY s
class holder 5CuuG<0
{ X3(tuqmi
public : {vs
uPY
template < typename T > |U~<3.:m:
assignment < T > operator = ( const T & t) const ky8_UnaO
{ *F WMn.
return assignment < T > (t); [m+2(I1
} iyN:%ofh
} ; 02Y]`CXj
~Cbc<[}
Cmu@4j&
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: iky|Tp
w?3p';C
static holder _1; ysJQb~2q
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 >u>5{4
4Xgg%@C
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); zofa-7'Bn
而不用手动写一个函数对象。 toLV4BtIG
#||}R[~P"
`CBZhI%%
"/yC@VC>
四. 问题分析 16w|O|^<
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。 ,k.3|aZE
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。 B{/R: Hm
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 8Pfb~&X^Ws
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Y5f1lUT
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2iHUZzz\
!NIhx109q
五. 问题1:一致性 B|Du@^$
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?| ~Io7]
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 j_/>A=OD
*lYVY)L
struct holder 5c9^-|-T
{ ^"2i
// 7jxslI&F
template < typename T > ?:pP8/y
T & operator ()( const T & r) const *RDn0d[
{ 2SD`OABf#
return (T & )r; Ut*`:]la
} tankR9(o
} ; u$h
4lIl
QaS1Dh
这样的话assignment也必须相应改动: 8k2?}/+
F7
5#*
template < typename Left, typename Right > 67VL@ ]
class assignment # Nk;4:[
{ *7:>EP
Left l; \jh'9\
Right r; &[_g6OL
public : Jk&3%^P{m
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} E8!e:l
=Q
template < typename T2 > d.3E[AJa(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } eS{!)j_^
} ; B%"
d~5Y
$}RJ,%~'x
同时,holder的operator=也需要改动: ^({})T0wu
%u? >#
template < typename T > 3e
#p@sB
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const +:8fC$vVfC
{ E08klC0
return assignment < holder, T > ( * this , t); >x/z7v?^I
} k;2GEa]w
wZG\>9~
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。 l-fi%Z7C
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 3Q"<<pi!~
lun#^ J
return l(rhs) = r; 1uG"f<TsR
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。 +GG9^:<yr
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ;>#wU'
<
nXL
template < typename Tp > ht7l- AK
class constant_t 1Y/s%L
{ +vvv[
const Tp t; ;QWIsVz
public : dpJ_r>NI
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} m/Oh\KlIl
template < typename T > 4 kn|^
const Tp & operator ()( const T & r) const d^Inb!%w
{ 5*E]ETo@R
return t; uvMy^_}L
} 0QFS
} ; zepm!JR1
x%}^hiO<q
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 e_#._Pi
下面就可以修改holder的operator=了 8hXl%{6d3
?u-|>N>
template < typename T > PbW(%7o(t
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const `lQ3C{}
{ $Oq^jUJ
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ]*vdSr-J
} j`oy`78O
%kv0Wefs
同时也要修改assignment的operator() R,gR;Aarw
$RYa6"`
template < typename T2 > Q(@U2a8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 3cFf#a #
现在代码看起来就很一致了。 AZ0;3<FfLp
j\,EO+ZQCv
六. 问题2:链式操作 L\Aq6q@c
现在让我们来看看如何处理链式操作。 9`wZz~hL"
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。 <nE>XAI_7
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。 R?68*}
`7
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。 j!_;1++q
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct H#NCi~M>3
%4ePc-
template < typename T > _
<WJ7
struct result_1 2#P*,
{ 3wOZ4<B
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Jzj1w}?H
} ; M1 :uJkO.
[.m`+
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: Yb+yw_5
\wo?47+=
template < typename T > V`X2>-Ex
struct ref H#@^R(
{ <%($7VMev
typedef T & reference; p qfUW+>
} ; os,* 3WO
template < typename T > .JYaH?
struct ref < T &> *194{ ep
{ jNTjSX
typedef T & reference; /~}}"zx&
} ; iEd\6EZ
1HXjN~XF
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: DAS/43\
J]v%q,"
template < typename T > aIJt0;
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const %JXE5l+pJ
{ @HQ`~C#Z'
return l(t) = r(t); 1>*#%R?W
} 9XPo3;
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ~R_ztD+C(
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 lV`Q{bd+
]4~lYuI4
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 K#EvFs`s;
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: p!>oo1&
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 E^QlJ8
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #OIcLEn%
最后的布局是: aEM %R<e
Add ?kWC}k{
/ \ |?rNy=P,
Divide 5 21
O'M
/ \ =x!2Ak/)
_1 3 .uuO>:
似乎一切都解决了?不。 /s?r`' j[
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 %`OJ.:k
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 }E0,z
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: .Si,dc\
*FC=X) _&W
template < typename Right > (5#nrF]
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const NPCs('cd>?
Right & rt) const "l*Pd$sr
{ 2r!s*b\Ix
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Zw*v
} )^m%i]L_
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 4#ug]X4Y')
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。 8)O[Aq::
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。 bu
|a0h7e
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。 ERpnuMb
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。 hJn%mdx~w|
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? crqpV F]1]
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: V=zi
>o`
Qy.w=80kf
template < class Action > "5-^l.CKH
class picker : public Action V^JV4 `o
{ 6I1,:nLL<
public : )=5ng-
picker( const Action & act) : Action(act) {} 3{ LP?w:@
// all the operator overloaded lLp^Gt^}w(
} ; "$N#p5
L!rw[x
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。 vY%d
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: 9{-EJ)
{7 $c8i
template < typename Right > $UgA0]qn
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const R#2 t)y
{ 1abtgDL
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); fJ/e(t
} cc#gEm)3C
k%D+Y(WGz8
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > R($KSui
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。 |p><'Q%*
dik:4;
template < typename T > struct picker_maker @n(Z$)8tR
{
l7W 6qNB
typedef picker < constant_t < T > > result; Pdt6nzfr
} ; E0u~i59Z
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 29!q!g |
{ ?%`@ub$
typedef picker < T > result; X=hYB}}nu
} ; twP,cyR
Fb^:V4<T
下面总的结构就有了: BlXB7q,
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。 WpF2)R}G=
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。 pcYG~pZ9
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 c%&:6QniZ
至此链式操作完美实现。 (>VX-Y/
u#Z#)3P
wW#}:59}
七. 问题3 Hj:r[/
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。 oN{Z+T :
L1ieaKw
template < typename T1, typename T2 > ^zt-HDBR_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const {.QEc0-
{ >)spqu]
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); AI,(z;{P
} }&n<uUD H
U7oo$gW%|T
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: "Jt.lL ]5
r.#t63Rb
template < typename T1, typename T2 > 5$wpL(:R(
struct result_2 :|Ad:fEs
{ DTaN"{
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Ys,{8Y,7
} ; T{Sb^-H#X
Fb7#<h
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? TQx.KM>y
这个差事就留给了holder自己。 IG|X!l
<FWF<r3F
PNaay:a|
template < int Order > ZJwrLV
class holder; m9" n4a|:
template <>
T9]HGB{
class holder < 1 > Eo#u#IY
{ Q(<)KZIK
public : VJdIHsI
template < typename T > 0JlZs]
struct result_1 r :F
{ /C>wd
typedef T & result; t?9v^vFR
} ; Q\cjPc0y
template < typename T1, typename T2 > ~.UrL(l=
struct result_2 E-I-0h2
{ 0%m)@ukb
typedef T1 & result; A8pIs
} ; xKQ+{"?-^g
template < typename T > {_S}H1,
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const zipS
]YD
{ Aj2OkD
return (T & )r; ~ECD`N<YF
} r6&54f
template < typename T1, typename T2 > <^zHE=h"
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ~$p2#AqX
{ o(S{VGi,
return (T1 & )r1; B
x (uRj
} ?Rj ~f{%g
} ; _T2=J+"-Kp
)('%R|$ /
template <> Gm(b/qDDe
class holder < 2 > d4nH_?
{ L
]w/P|
public : GDD '[;
template < typename T > .h9l7
nZt
struct result_1 " )V130<
{ czm&~n6$
typedef T & result; 'B@e8S)y
} ; Y]L9Y9
template < typename T1, typename T2 > iVG-_RsKK
struct result_2 ^my].Qpt
{ P#fM:z@[
typedef T2 & result; qUxRM_7U
} ; =:/BV=tv
template < typename T > !"<MsoY@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const x\J#]d.
{ /\H>y
return (T & )r; LE*h9((
} aj?a^}X
template < typename T1, typename T2 > 'JNElXqrv
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 2n `S5(V
{ =k/IaFg 6w
return (T2 & )r2; b^p"|L
} fH)YFn/
} ; D<Zp!J1o
IdXZoY
CMn{LQcC
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> >。 7{I h_.#
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 1[jb)j1
首先 assignment::operator(int, int)被调用: |i ZfYi&^
>2< 8kBF_
return l(i, j) = r(i, j); '3<fsK=
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) w^LuIbA
5!EJxP9
return ( int & )i; v@wb"jdFi$
return ( int & )j; [+OnV&
最后执行i = j; D<V~f B
可见,参数被正确的选择了。 =e8bNg
qQ0cJIISb\
\mV'mZ9>
4E+hRKuo,
Op>%?W8/UF
八. 中期总结 *P#WDXRwd
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']4p
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 *X4PM\ck
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 !}4MN:r
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ,:`ND28V7
JB>b`W9
A0fFv+RN3
(sQr X{~
I(9R~q
'sxNDnGg
九. 简化 {'AWZ(
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:jl~
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ?gwUwOV"
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: !vk|<P1
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 mWyqG*-Hb
+-*/&|^等 %~jkB.\* )
2. 返回引用。 <D::9c j
=,各种复合赋值等 H_0/f8GwnG
3. 返回固定类型。 *FmTy|
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 8X I?
4. 原样返回。 Ton94:9bZ
operator, 3;8!rNN
5. 返回解引用的类型。 ZvUCI8
operator*(单目) Y&
F=t/U2
6. 返回地址。 &`fhEN
operator&(单目) {&"L~>/o
7. 下表访问返回类型。 (I@rLvZr{
operator[] eQVZO>)P1+
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 J@OB`2?Zv
operator<<和operator>> [xT:]Pw}
EZYBeqv
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。 9
Rx
s
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 0d3+0EN{
gd0Vp Xf'
template < typename Left > |,aG%MTL
struct value_return .cR
-V`
{ Y2O"]phi@
template < typename T > ;/0 Q1-
struct result_1 !o>H1#2l
{ /[9t`
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; e5OsIVtjr
} ; sg8/#_S1i
/"?HZ% W
template < typename T1, typename T2 > oX4q`rt
struct result_2 ~`D|IWMDq
{ Z(ZiFPx2Z
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ?]rPRV
} ; b]7GmRekl
} ; /RyR>G!
?h0X,fl3
$-&BB(-{E&
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait #_B-4sm
A"aV'~>
下面我们来剥离functor中的operator() Dk='+\
首先operator里面的代码全是下面的形式: sO5?aB&
J-ePE7i
return l(t) op r(t) o=RM-tR`v
return l(t1, t2) op r(t1, t2) q|%(3,)ig
return op l(t) 'oN\hy($,h
return op l(t1, t2) 2>\v*adG
return l(t) op }/,HM9Ke
return l(t1, t2) op 6&!&\
return l(t)[r(t)] &*s0\
8
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] !bC+TYsU
(oJ9k[(
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: `juLQH
单目: return f(l(t), r(t)); ZbT/$\0(6
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); KE1ao9H8wR
双目: return f(l(t)); zh$}~RG[
return f(l(t1, t2)); < Z|Ep1W
下面就是f的实现,以operator/为例 oxj3[</'k
a"av#Y
struct meta_divide i_kE^SSgm
{ 0I{gJSK.,
template < typename T1, typename T2 > xP=/N!,#
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) ](B@5-^
{ $O{duJU
return t1 / t2; s!9dQ.
} |8bq>01~
} ; O8]'o*<]
OgcHS?
这个工作可以让宏来做: !6G?zipB
j&