一. 什么是Lambda 17+2`@vJgM
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 .y>G/8_i
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, Bb*P);#.K
-}9># <v
~
}?*v}
X^)vZL?
class filler qORRpWyx&
{
Mc<O ~
public : ObSRd$M
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} aLO'.5
~^
} ; Gk]6WLi
?(>fB2^
eY8rm
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: d< b ,].
*/y (~O6
.a7!*I#g
j S<."a/n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); WbGN
5?9Q
@q+X:K5b
1[ 40\ sM
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 PEPf=sm
v-!^a_3Ui
Og<nnq
A_2oQ*
二. 战前分析 L<Q>:U.@\
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 )GR4U8<>g
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 TcOmBKps'
@y(<4kLz
CC,CKb
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); DgODTxiX
/* --------------------------------------------- */ N~+ e\K6
vector < int *> vp( 10 ); < m/@_"
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); (X~JTH:e/
/* --------------------------------------------- */ =>X"
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 69$gPY'3
/* --------------------------------------------- */ =p>IP"HJ
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); `}S;_g!
/* --------------------------------------------- */ H,0Io
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Xsd+5="{N
/* --------------------------------------------- */ u:M)JG
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); bL0>ul"
^n9)rsb
90UZ\{">
.A
apO}{
看了之后,我们可以思考一些问题: +\U#:gmw
1._1, _2是什么? R_2T"
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。 J4#rOS
2._1 = 1是在做什么? Qz`v0"'w
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。 0YO/G1O&
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+bnq%
^]X\boWlI
' ?uwUBi
三. 动工
q.!<GqSgb
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: qaiR329fx
,_z"3B)]
]i
Yp
+jb<=ERV[
template < typename T > A^vvw~!d
class assignment T&+y~c[au
{ 1fqJtP6
T value; %![3?|8~
public : T,/:5L9
assignment( const T & v) : value(v) {} T7?cnK"
template < typename T2 > 0[.T`tpN'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ^0HgE;4
} ; ,$(a,`s)
2 `U+
!
"wnN
0 p
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ^=[b]*V
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 0bl 8J5Ar5
nR8r$2B+t
,vB~9^~
x};sti R
class holder $3]]<oH
{ SGP)A(,k9
public : 9i+.iuE%Bu
template < typename T > ndHUQ$/(
assignment < T > operator = ( const T & t) const `l0"4[?
{ U?=-V8#M|
return assignment < T > (t); 1<;G
oC"
} +d=w%r)
} ; [Zne19/
k\Z7Dg$\D
:%>TM/E N
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: d8.A8<wUr
cf,^7,-`"
static holder _1; A5go)~x\
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 dU&hM<.|
98XlcI#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); IsiBn(1Z
而不用手动写一个函数对象。 kK/([!
Kp>fOe'KW
K#LDmC
FK~*X3'
四. 问题分析 8 `}I]
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 Ru@ { b`
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 w5;d/r<q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 p|Qn?^C:
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ?H!QV;ku
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Igh=Z %
Y3O/`-9i
五. 问题1:一致性 rw.DKM'
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| _*++xF1
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 +%R{j|8#
t6Nkv;)>@
struct holder [Gc9
3PA7q
{ z[WdJN{
// /kAbGjp0
template < typename T > 6[Wv g
T & operator ()( const T & r) const DLO2$d
{ h^'+y1
return (T & )r; _b9>ZF~
} rA /T>ZM
} ; &] O^d4/
X#Hl<d2
这样的话assignment也必须相应改动: $S/EIN c
ZuT5}XxF
template < typename Left, typename Right > 1F R
class assignment #|K5ma
{ |O{kv}YZ
Left l; @#"6_{!j_X
Right r; 8*^*iEsR
public : LoW}!,|
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} *g"Xhk
template < typename T2 > 4 {+47=n
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Rw^X5ByJE
} ; `t>:i!s/
RG:_:%@%}
同时,holder的operator=也需要改动: #6@4c5{2=4
\G2PK&)F
template < typename T > ]/7#[
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const >
1=].
{ o]<J&<WM
return assignment < holder, T > ( * this , t); Dlg9PyQ
} jD?*sd
Hb\['VhzM
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。 H3+P;2{
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 A`*Sx"~jdx
:@~mN7O*
return l(rhs) = r; q<Y#-Io%3
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。 |%@pjJ`3
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: P52qt N<
#9t3 <H[
template < typename Tp > ^1bM=9]F0
class constant_t XA\wZV
|{
{ ?u>A2Vc!
const Tp t; U% OlYP$g
public : Q-KBQc
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} h059 DiH
template < typename T > 4A)_D{(SH
const Tp & operator ()( const T & r) const Bw>)gSB5$k
{ \f'=
return t; 7MIrrhk
} 5%w08
} ; x{S2
Va^(cnwa
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 yC7lR#N8j0
下面就可以修改holder的operator=了 u5tUm
nnCz!:9p
template < typename T > RO| }WD)
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const +|qw>1J(
{ PV-B<Y
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 6S^JmYq
} :XB^IyO-A
aX?
tnDv
同时也要修改assignment的operator() H__'K/nH+
i4mP*RwC
template < typename T2 > xn anca
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ?N&s.
现在代码看起来就很一致了。 1ezBnZJg
T3PwM2em_`
六. 问题2:链式操作 cG{
现在让我们来看看如何处理链式操作。 tNljv >vI
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。 ])?[9c
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。 |CPyCM$
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。 m}'!W`<
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ppnl bL^*
lS?#(}a1)
template < typename T > `:W }yo<F
struct result_1 8Fv4\dr
{ 0a:@DOzT
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Wm/0Pi
} ; XRi37|p
XQZiJ
%'
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: c|X}[
Q}#xfrprF
template < typename T > fDAT#nlyp
struct ref 6ipQx/IQ
{ ~-'-<-
typedef T & reference; L&&AK`Ur3l
} ; <GSp%r
template < typename T >
_+}f@&"
struct ref < T &> oo|Nu+
{ K+`deH_d
typedef T & reference; &}d5'IRT
} ; f<>CSjQ4c
fzUG1|$e
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Nb)Mh
oG
c9
6B%
template < typename T > @>`qfy?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const fYlqaO4[
{ +@~e9ZG%a
return l(t) = r(t); dw%g9DT
} o0TB>DX$`
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。 0@RVM|
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 =b>e4I@
Fi#
9L
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 MJU*Sq
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: iyr<qtwK
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 U "v=XK)!
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 M|7][!<G!
最后的布局是: U5[r&Y
D
Add |{La@X
/ \ -`5L;cxwk4
Divide 5 FBa-gm<9
/ \ L$^)QxH7
_1 3 >J{e_C2ZS
似乎一切都解决了?不。 zICrp
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 zb.sh
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 tv5N
wM
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: Lm+E? Ca
kb!W|l"PN
template < typename Right > %DKC/%
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 8F/zrPG
Right & rt) const |][PbN
D
{ 3U*4E?g
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 0O(V y y
} (O/W`qo
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 oSl}A,aQ(
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 [d=BN ,?
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 |}@teN^J*U
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 bVr`a*EM
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 lU.aDmy<
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? |(uo@-U
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: V-18~+F~"a
n!U1cB{
template < class Action > 6n
H'NNS:J
class picker : public Action VUD9ZyPw
{ % -.V6}V
public : f7Gs1{
picker( const Action & act) : Action(act) {} 57EL&V%j
// all the operator overloaded X$eR RSW
} ; B[5<&
Gz2\&rmN
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。 QV
-ZP'e^
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: m?=J;r"Re
P`y.3aK
template < typename Right > (]-RL
A>
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ES)_X:\X?V
{ eWXR #g!%>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Wr+1e1[
} RtEx
WTc
Q1!+wC
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > L;=LAQ6[
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。 f]2;s#cu
|#Q0UM|'Q
template < typename T > struct picker_maker EmyE%$*T
{ 1w+)ne_&
typedef picker < constant_t < T > > result; gFXz:!A
} ; 31N5dIi,
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > f n8|@)J
{ Q)5V3Q]@^
typedef picker < T > result; TXqtE("BDl
} ; 0|,Ij$
CDT;AdRw7
下面总的结构就有了: #<es>~0!
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。 me90|GOx+
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。 oVd7ucnK
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 iKv"200h(
至此链式操作完美实现。 I")mg~f
J2k4k
28j/K=0(
七. 问题3 vZPBjloT!.
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。 WsT
W)L*zVj~
template < typename T1, typename T2 > pz"}o#R"x
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const - x; xQ
{ n^<J@uC
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); fM"&=X
} :g{ybTSEe
>b8-v~o{
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: ]$U A5/a
K*M1$@5
template < typename T1, typename T2 > UDPn4q
struct result_2 h r6?9RJY
{ (UZ].+)s
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Sx1OY0)s
} ; EIF
\/-4 jF:
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? *]c~[&x5&
这个差事就留给了holder自己。 SQ<{X/5
27MwZz
F:A Vik
template < int Order > z Ece>=C
class holder; }taG/kE62
template <> 7@&kPh}PG
class holder < 1 > ^_BjO(b'e
{ 4h
T!DS
public : RQ4+EW1G
template < typename T > |gU)6}V@
struct result_1 CD4@0Z+
{ Z_mQpt|y
typedef T & result; I/u>Gt
} ; B?4Iu)bCxI
template < typename T1, typename T2 > 5>hXqNjP2
struct result_2 @QE&D+NS
{ VFKFO9
typedef T1 & result; D58RHgY[
} ; 6_K7!?YG7
template < typename T > \5j#ad
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const v`U;.W
{ -1w^z`;2h
return (T & )r; ?U
=Mdw
} >?.jN|
template < typename T1, typename T2 > Lz!H@)-mr
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const )"_&CYnd
{ fr}.#~{5Y
return (T1 & )r1; szXqJG8|
} V5gr-^E
} ; _>_"cKS
6NQ`IC
template <> @h(Z;
class holder < 2 > U|8?$/*\
{ |o@U
L
public : #k,.xMJ~
template < typename T > \y+^r|IL
struct result_1 ZuKOscVS#T
{ OF,_6"m
typedef T & result; [MD"JW?4B
} ; AqHGBH0
template < typename T1, typename T2 > w*X(bua@
struct result_2 6q,CEm
{ (px3o'ls h
typedef T2 & result; ^2i$AM1t
} ; H|/"'t
OZ
template < typename T > "BIhd*K[~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ]`|;ZQiD
{ bD?gwhAKA
return (T & )r; 8t|?b
} ! vuun |
template < typename T1, typename T2 > ft~QVe!
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ""IPaNHQ
{ X.ZG-TC
return (T2 & )r2; 2iC BF-,
} T
"#DhEM
} ; ?QtM|e
]C{N4Ni^Z
.N7&Jy
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> >。 E+/XKF
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: |nU%H=Rs/
首先 assignment::operator(int, int)被调用: t{`uN
Jgy6 !qUn_
return l(i, j) = r(i, j); B] Koi1B
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) %.8(R
&
t| B<F t^
return ( int & )i; "V5_B^Gzb]
return ( int & )j; m8INgzVTC
最后执行i = j; ]#7baZ
可见,参数被正确的选择了。 w:](F^<s,
v~0lZe
=w<iYO
,V''?@
E!`/XB/nA
八. 中期总结 -VP_Aw$
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: \w-3Spk*
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 lB7/oa1]>
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Z{2QDjAI;
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ,+x\NY2d
hl2|Ec
@KJmNM1]V
&a6-+r
X5= Ki
$+
G]dHYxG
九. 简化 e~nh95
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 D'Uc?2X,&
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 lq?N>~PG
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: 9l,8:%X_
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 :u2tu60&MJ
+-*/&|^等 [a.(0YLr'w
2. 返回引用。 YVk
+zt~S
=,各种复合赋值等 sosIu
3. 返回固定类型。 .!'rI7Kz'i
各种逻辑/比较操作符(返回bool) )&-n-m@E
4. 原样返回。 3%u: c]-wF
operator, VeH%E.:
5. 返回解引用的类型。 .5tXwxad"
operator*(单目) W k "_lJ
6. 返回地址。 P<9T.l
operator&(单目) )=5*iWe
7. 下表访问返回类型。 }ee3'LUPX
operator[] j`_Z`eG
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 e.(RhajB
operator<<和operator>> ~8'HX*B]z
>n1UK5QD
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 -*2b/=$u
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 3Qp6$m
{@s6ly].
template < typename Left > $>Gf;k
struct value_return tq*{Hil>P`
{ ;cb='s
template < typename T > BJqb'Hjd
struct result_1
}}wSns
{ [mF=<G"
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; }(WUZ^L
} ; 5UQ[vHMqI
OQDx82E
template < typename T1, typename T2 > fL gHQ
struct result_2 YT@N$kOg_
{ ]ij:>O@{$
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; Eb8z`@p
} ; 5KssfI
a
} ; luz,z(
v
(unJwh{7Q
YLV$#a3
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait }~#qDrK
NNRKYdp,
下面我们来剥离functor中的operator() ])WIw'L!
首先operator里面的代码全是下面的形式: RC!T1o~L
6X$\:>
return l(t) op r(t) XLm@, A[
return l(t1, t2) op r(t1, t2) " j:15m5
return op l(t) _$v$v$74^
return op l(t1, t2) [U7r>&