一. 什么是Lambda y8
`H*s@
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 q"fK"H-j
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, !+CRS9\D
Qx$Yj
#&&^5r-b-
Z @j0J[s
class filler [L9e.n1
{ A2F+$N
public : =q>eoXp
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} CJ
KFNa
} ; :m-HHWMN
6ffrV
1G$kO90
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: B*,9{ g0m/
/ptIxe
"jb?P$
`} Q+:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 5AQ $xm4
'J+Vw9s7
>m%\SuXq
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 YdIV_&-W
;J2=6np
^'[Rb!Q8
-`#L rO;n
二. 战前分析 R (4 :_ xc
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 {Pu\KRU
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 N'|zPFkg
G8eAj%88
(;cbgHo%}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); a\^DthZ!;|
/* --------------------------------------------- */ fE7[Sk
vector < int *> vp( 10 ); GT2;o
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ;V`~'357%
/* --------------------------------------------- */ C %y AMQ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); NCX!ss
/* --------------------------------------------- */ 6-<,1Q'D
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); }_XKO\
/* --------------------------------------------- */ "l2_7ZXsPT
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Y{um1)k
/* --------------------------------------------- */ 5-aCNAF2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Q!|. ,?V
}fL8<HM\'c
I)9;4lix
"7iHTV
看了之后,我们可以思考一些问题: a+,)rY9
1._1, _2是什么? 6BNOF66kH
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 RG #
2._1 = 1是在做什么? a)[t kjU
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 0;r+E*`DA
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 - C8h$P
(F~eknJ
lbTz
三. 动工 q'd6\G0}
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: "k5 C? ~
's!EAqCN
]D%D:>9|/
<-X)<k
template < typename T > ($[pCdY
class assignment GS \-
{ 0t6s20*q
T value; Kx$?IxZ
public : (m~MyT#S
assignment( const T & v) : value(v) {} +X"TiA7{j
template < typename T2 > 6e/ 2X<O
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 4s.wQ2m
} ; X -6Se
h"M}Iz~|V?
`N
;!=7y7Y
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 x-(?^g
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ,$7LMTVDrE
!#g`R?:g
{_KuztJGA
` _[\j]
class holder $Ob]JAf}
{ 23&;28)8
public : /Y%) Y
template < typename T > {#0B~Zr
assignment < T > operator = ( const T & t) const 5|wQeosXxI
{ hjaI&?w
return assignment < T > (t); J(g!>Sp!p
} JKGUg3\~
} ; jpT!di
[t,grdw
=}u;>[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: Ui'~d(F
;m{[9i`2
static holder _1; 5{[3I|m{
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 .V
9E@_(
!W{|7Es?.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |4x&f!%m
而不用手动写一个函数对象。 @N1ta-D#
el5F>)
E}.cz\!.
bP(V#6IJ8
四. 问题分析 "n:L<F,g
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。 Cf2rRH
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。 Y-7x**I
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Z;SRW92@
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 UFC.!t-Z
下面我们可以对这几个问题进行分析。 $1#|<|
V]`V3cy1+3
五. 问题1:一致性 !V7VM_}@Y
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| X*}S(9cg\i
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 JxNjyw
M'R^?Jjb
struct holder qm@c[b
{ Vy&F{T;$
// eW0:&*.vMj
template < typename T > C[_{ $j(J
T & operator ()( const T & r) const |#f
P8OK
{ X7Cou6r
return (T & )r; %[Ia#0'Y@
} DTAEfs!ZW
} ; SDcD(G
3sHC1+
这样的话assignment也必须相应改动: *M6M'>Tin
GDZe6*
template < typename Left, typename Right > ]J?5qR:xCy
class assignment 4,wdIdSm4
{ (gs"2
Left l; ,R3D
Right r; ,t(y~Z
wJ
public : rS{Rzs^@
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} nRb#M
template < typename T2 > 6pxj9@X+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 64hr|v
} ; @fPiGu`L
Hg*6I%D[So
同时,holder的operator=也需要改动: oC>^V5
'?wv::t
template < typename T > d+[hB4!l2
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const a:H}c9$%
{ oRmN|d ~4
return assignment < holder, T > ( * this , t); 33s.p'
}
lf[(
Zb<DgJ=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。 H:a(&Zb
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 8.'%wOU@A
rqT@i(i
return l(rhs) = r; #eR*|W7o
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。 _lu.@IX-
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 8&3+=<U
CIYTs,u#
template < typename Tp > kplyZ
class constant_t d=Q0/sI&
{ L`yS'
const Tp t; rR^VW^|f
public : q}1AV7$Ai
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} i*nNu-g
template < typename T > !NZFo S~
const Tp & operator ()( const T & r) const m:ITyQ+
{ I>C;$Lp]
return t; L+9a4/q
} "72
_Sw
} ; ^#vWdOlt
C(xdiQJh
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 h9 [ov)
下面就可以修改holder的operator=了 ZYc)_Og
Pdrz lu
template < typename T > \; $j
"i&
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !!DHfAV]
{ zl4Iq+5~6Q
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ]geO%m
} <G}>Gk8x
'!b1~+PV
同时也要修改assignment的operator() Q<w rO
=uMoX
-
template < typename T2 > ;~tKNytD`B
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } dHg[0Br)r
现在代码看起来就很一致了。 f* p=]]y
o%RyE]pw,
六. 问题2:链式操作 7K%Ac
现在让我们来看看如何处理链式操作。 {[NBTT9&
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 pR; AqDQ
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 dl;^sn0s
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 G %Wjtrpj
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct OqHD=D[
wRi!eN?
template < typename T > -]A,SBs
struct result_1 sMs 0*B-[
{ bt-y6,> +E
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; <vhlT#p
} ; m7cp0+Peo
D}&U3?g=
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: tb"UGa
v`*!Bhc-
template < typename T > u01x}Ff~6
struct ref Bd31>
%6
{ doW_vu
typedef T & reference; #q6jE
} ; _ ?xORzO
template < typename T > ? R#-gvX%
struct ref < T &> R*'rg-d
{ Go=MG:`
typedef T & reference; !J3g, p*
} ; <;=?~QK%-
W(9-XlYKE
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: QZYD;&iY&
Nd%,V
template < typename T > .?@$Rd2@W
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const j_j~BXhIS
{ 5)AMl)
return l(t) = r(t); &Plc
} L|u\3.:
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。 OLXG0@
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ,1a6u3f,
18zv]v
%
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 1I<fp $h
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: u?&P6|J&
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Gh>Rt=Qu%
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ~Yb5FYE
最后的布局是: |zKFF?7#wE
Add Z[[qW
f
/ \ )4bBR@QM
Divide 5 s%1 O}X$c
/ \ qm{(.b^
_1 3 ^"(CZvq
似乎一切都解决了?不。 +>M^p2l*&
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。 |'aGj
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。 :uSo2d
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: g~rZ=
kD8$ir'UYG
template < typename Right > [sy~i{Bm
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const N>/!e787OU
Right & rt) const %-/[.DYt
{ =e$<["
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1~zzQ:jAZ
} YNRpIhb
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 F w)#[
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。 6c$ so
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。 $BXZFC_1S
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。 qRZv[T%*Q
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。 !D!~4h)
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? wqk D
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: %iPWg
nQy.?*X
template < class Action > idPx!
fe
class picker : public Action G3
rTzMO
{ YC8wo1;Y!
public : 3"NO"+Q
picker( const Action & act) : Action(act) {} ZX'q-JUv f
// all the operator overloaded l=GcgxD+"d
} ; MzM"r"u
/Nt#|C>
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。 4>-'w MW")
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: 3LN+gXmU
@tGju\E"o
template < typename Right > ikX"f?Q;S2
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const BiT
#bg
{ 9~n`6;R
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); sC1Mwx
} eyUguA<lK\
)CJXkzOX
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > -d1 YG[1|
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。 zl^ %x1G
dWqKt0uh!
template < typename T > struct picker_maker `<2k.aW4e8
{ ~_8Dv<"a
typedef picker < constant_t < T > > result; #I8)|p?P
} ; I$7|?8
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > wI8
{ \@&oK2f
typedef picker < T > result; b+Vfi9<
} ; JZI)jIh
hjf!FY*F
下面总的结构就有了: b+Sq[
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 6
<XQ'tM]N
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 o&0fvCpW
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 DB%}@IW"
至此链式操作完美实现。 "jV:L
=z^2KH
m#1>y}
七. 问题3 fGjYWw
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 |>|f?^
Oy
EOb>
template < typename T1, typename T2 > D+m#_'ocL
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const _/V<iv
{ -LzkM"
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); \A7{kI
} M$_E:u&D
jV{?.0/h|
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: 4PK/8^@7)>
E+z),"QA
template < typename T1, typename T2 > -[/tS<U
struct result_2 m';j#j)w
{ 3 @a hN2
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Hi%)TDfv
} ; 'F2g2W`
-&q@|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? cD.afy
这个差事就留给了holder自己。 qlSI| @CO
B|d-3\sn
dynkb901s
template < int Order > {=K);z
class holder; zVt1Ta:j
template <> b'q ru~i
class holder < 1 > X* 4C?v
{ 43wm_4C!H
public : ]#k=VKdV
template < typename T > 9*~bAgkWI
struct result_1 I]GGmN
{ !0-KB#
typedef T & result; E' -lpE
} ; Ic2Q<V}oq
template < typename T1, typename T2 > /cHUqn30a
struct result_2 :1asY:)vNP
{ B(|*u
typedef T1 & result; r&%TKm^/
} ; f$>KTb({B
template < typename T > O06 2c)vIY
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const /U$5'BoS
{ F$/7X~*
return (T & )r; f \ E9u}
} B]2m(0Y>>v
template < typename T1, typename T2 > hY5GNYDh
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const i~3\jD=<
{ ^4/
return (T1 & )r1; !$u:[T_8
} TWSqn'<E
} ; cMs8D
ygK@\JHn
template <> 3vXa#f>P<
class holder < 2 > kB`
@M>[
{ E] 6]c!2:
public : QM('bbN
template < typename T > 1.0:
struct result_1 +Y?)?
{ bG)EZ
typedef T & result; o$QC:%[#
} ; s(Y2]X4
(
template < typename T1, typename T2 > `cQAO1-5
struct result_2 }~NM\rm
{ CCHGd&\Z
typedef T2 & result; !zVjbYWY
} ;
$UD$NSl
template < typename T > ^'%Q>FVb
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const r01u3!
{ shgZru
return (T & )r; ;
,Nvg6c
} A)#w~ X4
template < typename T1, typename T2 > Sw.k,p*r
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const !C(U9p. 0
{ ^jbjHI&
return (T2 & )r2; #<K'RJn
} R ;k1(p
} ; VUon>XQ
G
)O],$\u
' !2NSv
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 \@[Y~:
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: buldA5*!o
首先 assignment::operator(int, int)被调用: R]&lVXyH
`h%K8];<6f
return l(i, j) = r(i, j); 6t\0Ui
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) G%A!yV
a[V X)w_W{
return ( int & )i; ~9y/MR
return ( int & )j; 9!_JV;2
最后执行i = j; r^7eK)XA_
可见,参数被正确的选择了。 vA"LV+@
."Kp6s `k
gy1R.SN
9Y:Iha`$w
b_&:tE--]
八. 中期总结 k4d;4D?
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~C\5 i
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 uZM%F)
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 MQe|\SMd
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor .sjv"D"
@;G%7&ps
C{:U<q
q`VkA
\
j[,XJ,5=
I5*<J n
九. 简化 m\oxS;fxWi
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。 ;m=k
FZ?
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 e45)t}'
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: 2:RFPK
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 H:nO\]
+-*/&|^等 -d9L
2. 返回引用。 }hE!0q~MfM
=,各种复合赋值等 /PVx
3. 返回固定类型。 U2)?[C1q{
各种逻辑/比较操作符(返回bool) g"~`\xhx
4. 原样返回。 F}.R-j#
operator, ;}lsD1S:
5. 返回解引用的类型。 J%]5C}v \
operator*(单目) 1#3eY?Nb
6. 返回地址。 ^-LnO%h?
operator&(单目) rB-R(2
CCN
7. 下表访问返回类型。 I<Cm$8O?
operator[] O1@3V/.Wu
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 riF-9
%i
operator<<和operator>> PWeWz(]0Z4
O=vD6@QI
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 6i;q=N$'
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Zt&
7p
{Mb2X^@7
template < typename Left > f8\D AN
struct value_return SKF0p))BJ
{ 'C=(?H)M
template < typename T > s",G
w]8
struct result_1 @Gw.U>"!C
{ ]XcWGQv~
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; a ]:xsJ~
} ; GTi=VSGqF
n{\d
template < typename T1, typename T2 > Hh%"
struct result_2 i%GiWanG
{ Z`f?7/"B
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; /U,(u9bq
} ; B}P!WRNmln
} ; 1Vkb}A,'
[wk1p-hf
Y3#8]Z_"}O
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait W9{i ~.zo
qu.AJ*
下面我们来剥离functor中的operator() M+M ;@3
首先operator里面的代码全是下面的形式: k&M~yb
XI:+EeM?
return l(t) op r(t)
.:XX c
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ~1XC5.*-
return op l(t)
nI4oQE
return op l(t1, t2) z0x^HDAeC
return l(t) op ^?_MIS`4N
return l(t1, t2) op (/^?$~m"
return l(t)[r(t)] S'`G7ht
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] |'lNR)5
D-D8La?0p
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: ]yQqx*
单目: return f(l(t), r(t)); M1]w0~G
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); VeqB/QX
双目: return f(l(t)); P^ht$)Y
return f(l(t1, t2)); I]HLWF
下面就是f的实现,以operator/为例 nltOX@P-
U\W$^r,
struct meta_divide 1cx%+-
{ A~v[6*~>
template < typename T1, typename T2 > ;pS+S0U
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) Lp3pJE
{ MR: H3
return t1 / t2; )y6
} }O+S}Hbwy
} ; Q"Exmn3p
<pXOE-G5
这个工作可以让宏来做: 1;+77<