一. 什么是Lambda @^GI :z
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 a)I>Ns)
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, uvJ&qd8M
dA <_`GFR
JL>DRIR%NV
uPE Ab2u="
class filler p{+F{e
{ 8C@6
b4VK
public : f,ZJFb98
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} M{SJ8+G
} ; ]dgi]R|`
+ WT?p]
VCwC$ts
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: Yv0y8Vz@
?Ezy0>j
wN^^_
Ao#bREm
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); {
SDnVV
C_yNSD
oDayfyy4y)
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 .&I!2F
b_7LSp
~(B%E'
N1sdWXG
二. 战前分析 W }v
,6Oe
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 c'mg=jH
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 \:+ NVIN
=woP~+
dI>cPqQ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bh#6yvpMR
/* --------------------------------------------- */ db&!t!#,
vector < int *> vp( 10 ); \S&OAe/b
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %(]B1Zg6,
/* --------------------------------------------- */ ?bg
/%o
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); |<O^M q
/* --------------------------------------------- */ & eqqgLz
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); w9n0p0xr<
/* --------------------------------------------- */ T(Bcp^N
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); J'tJY% `
/* --------------------------------------------- */ T#i~/
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); <":83RCS
.gt;:8fw{
oTx>oM,
HLQ>
|,9
看了之后,我们可以思考一些问题: DiGHo~f
1._1, _2是什么? T3LVn<Lm\
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 *`LrvE@t
2._1 = 1是在做什么? JSmg6l?[u
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 Ql9>i;AGV
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 1_l)$"
pF9WKpzE
u:tcL-;U
三. 动工 ei"c|/pO
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: [j0jAl
Q2:rWE{K!
%oquHkX%OJ
%UhLCyC/
template < typename T > )u4=k(
class assignment 2%9L'-
{ U"oHPK3"TA
T value; $yq76
public : W;os4'h$
assignment( const T & v) : value(v) {} 4bL? V^@7
template < typename T2 > 2##mVEo.(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } jbUg?4k!
} ; (bpRX$is
;C=V- r
eW8{],B
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9U4[o<G]=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Z9q4W:jyS
.mcohfR
=e0MEV#s.
C' {B
class holder Zsmv{p
{ N9s.nu
public : qk>SM|{
template < typename T > h9!4\{V;h
assignment < T > operator = ( const T & t) const [9j,5d&m
{ 2|]
<U[
return assignment < T > (t); Qr7|;l3
} ,4 q^(
} ; _wX(OB
3<N2ehi?
{v|ib112;
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: F! Cn'*
og~a*my3
static holder _1; 3x7fa^umR
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 5rc3jIXc{|
oiC@ /
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !&3"($-U3G
而不用手动写一个函数对象。 fY?:SPR+
EyA(W;r.
qR_Np5nHF
Fy!s$!\C0
四. 问题分析 9_.pLLx
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 %M/L/_d
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 <|]i3_Z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 p$= 3$I
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 j]`hy"
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ~D`R"vzw=
uFhPNR2l
五. 问题1:一致性 jTZi<
Y:bB
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?| 9j5|o([J
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 GoH.0eQ^
q?)5yukeF
struct holder aY;34SF
{ x]?V*Jz
// vu}U2 0@
template < typename T > !0UfX{.
T & operator ()( const T & r) const ;l<Hen*
{ 49O_A[(d
return (T & )r; =<)/lz] H
} cKOXsdH?SL
} ; /u`Opv&I
59v=\; UI
这样的话assignment也必须相应改动: Vpzjh,r-j
Y C<FKWc
template < typename Left, typename Right > w5rtYTI
class assignment 6c27X/'Z
{ 2PUB@B'
+
Left l; wZbT*rU
Right r; $sZ4r>-
public : SG&H^V8
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} f)gV2f0t
template < typename T2 > Eza^Tbq%j?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } AE`UnlUSF
} ; e%4vvPp
{f*{dSm9b
同时,holder的operator=也需要改动: |2=w":2#
(~! @Uz5
template < typename T > 7;C~>WlU
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const .y_ ~mr&d
{ )"|wWu
return assignment < holder, T > ( * this , t); nD>X?yz2
} :_2:Fh.}3~
oL }d=x/
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 HU|qeSyel
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 N~or.i&a
odJE~\\hw
return l(rhs) = r; 7}~nQl2
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 .x/H2r'1
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 'O9Yu{M
DYC2bs>
template < typename Tp > 3m2y<l<
class constant_t dl |$pm@x
{ h.Sbds
const Tp t; T nyLVIP
public : dVGcth;
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Z=%u:K}[
template < typename T > K|6}g7&X
const Tp & operator ()( const T & r) const uC#]F@
{ V:+vB "
return t; 0"+QWh
} YnDaBpx
} ; MrOtsX
^L
Xr4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 V \FlKC
下面就可以修改holder的operator=了 f`\J%9U _O
eecIF0hp
template < typename T > &9.3-E47*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 5GPAt
{ Vhb~kI!x
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); F8{T/YhZ
} 66+]D4(k
9)j"|5H
同时也要修改assignment的operator() J4iu8_eH!D
<Nc9F['
template < typename T2 > *laFG<;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } wLt0Fq6QG
现在代码看起来就很一致了。 99]s/KD2yb
KVViTpZ
六. 问题2:链式操作 y^kC2DS
现在让我们来看看如何处理链式操作。 a{%EHL,F
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。 U~c9PqjZ
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。 ?V_v=X%w
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。 F^TOLwix
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct G4#Yz6O
-~lrv#5Q
template < typename T > !VrBoU4<d
struct result_1 !}1l8Y
{ R_Bf JD.
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; =FFs8&PKys
} ; rfZg
^BI&-bR@
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: N5k9o:2
]x3 )OjH
template < typename T > 0&r}'f?
struct ref XoMgbDC
{ HBk5p>&
typedef T & reference; Z vyF"4QN
} ; *0'{n*>
template < typename T > q zo)\,
struct ref < T &> ?q5HAIZ`
{ #SD2b,f
typedef T & reference; HDu|KW$o1
} ; )coA30YR
6jl{^dI
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: pMp@W`i^6
}JT&lyO< b
template < typename T > pBQ[lPCY/
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const F1`mq2^@
{ X&K,,C
return l(t) = r(t); :b#5cMUe
} ~n/:a
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 K:pG<oV|}
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1'B=JyR~K
:n
x;~f
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 SBw'z(U
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: C{ Z*5)
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 (hv}K*c{
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 R/^;,.
最后的布局是: o9v9
bL+X
Add ~i}/
/ \ DFGgyFay
Divide 5 -**fT?n
/ \ ~<osL
_1 3 %u]>K(tU
似乎一切都解决了?不。 !W=2ZlzS
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 vha@YPC=
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 A{')
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: I+Fr#1
\}Pr!tk!
template < typename Right > i'#%t/ u
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 8mX:*$qm:
Right & rt) const Io_7
{ >rh<%55P`
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); %g4)f9>
} (Pt*|@i2c
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 _&xkj8O
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。 fAvB!e
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。 HlX7A1i/
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。 ACgWT
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。 &0-Pl.M
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? _'s5FlZq
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: \z2d=E
dBW#PRg
template < class Action > ['0^gN$:e
class picker : public Action IRI<no
{ c;R.rV<
public : uYc&Q$U
picker( const Action & act) : Action(act) {} Zo,]Dx
// all the operator overloaded #8bI4J{dE
} ; GuJIN"P]
$I/RN
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 )/tdiRpn
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: yXc@i)9w3
Ob-k`@_|
template < typename Right > )v.\4Q4
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const NW Pd~l+
{ .GPuKP|
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); h3A|nd>\
} rX&?Xi1JeV
`P9%[8`C 9
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > c<qJs-C4;
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 6IM:Xj
P99s
template < typename T > struct picker_maker VH.}}RS%
{ ^EKf_w-v
typedef picker < constant_t < T > > result;
N/AP8
} ; );x[1*e
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > :SpPT
{ !myF_cv}'
typedef picker < T > result; `3F/7$q_
} ; 9M-/{D^+<
sk`RaDq@;
下面总的结构就有了: ,u>K##X\
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。 -QP1Se*#
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。 u+e.{Z!
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 )$I"LyK)
至此链式操作完美实现。 ~bJ*LM?wOP
gJBk&SDgtP
R
)e^H
七. 问题3 885
,3AdA
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 CB?H`R pC.
(fWQ?6[
template < typename T1, typename T2 > y]f| U-f:~
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const px_%5^zRQ
{ BRMR>
~k(
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); *r]#jY4qx
} ~w RozV
[x|{VJ(h
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: &,`P%a&k
Aaix?
|XN
template < typename T1, typename T2 > OAz-w
struct result_2 h%@#jvh?4
{ T?FR@.
Rm
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; n?A;'\cK
} ; "mkTCR^]e
,cFp5tV$
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? (tP^F)}e5
这个差事就留给了holder自己。 o>Z+=&BZ@a
$(%t^8{a~G
yh Ymbu
template < int Order > gG=E2+=uy
class holder; \7,'o] >M-
template <> v|mZcAz
class holder < 1 > c}FZb$q#
{ Yt;.Z$i ,
public : |4a#O8d
template < typename T > lL:J:
struct result_1 I^6zUVH
{ Q}jl1dIq
typedef T & result; ?2b9N ~
} ; wA}+E)x/C
template < typename T1, typename T2 > .oo>NS
struct result_2 !xK`:[B
{ e: :H1V
typedef T1 & result; Nm=W?i
} ; oMi"X"C:q
template < typename T > 4%k_c79>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const "2bCq]I0
{ ,*Yu~4
return (T & )r; }KHdlhD
} <kmn3w,vi
template < typename T1, typename T2 > w~g)Dz2G
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const `4 A%BKYB
{ 6y9#am?
return (T1 & )r1; ToVm]zPOUt
} @YTZnGG*
} ; Io&F0~Z;;(
5q?ZuAAA
template <> b=+'i
class holder < 2 > ?o9g5Z
{ /P0%4aWu=
public : H;$O CDRC
template < typename T > |ldRs'c{
struct result_1 ,#r>#fi0
{ ""ICdZ_A
typedef T & result; I.\fhNxHY
} ; #SRGVa`x
template < typename T1, typename T2 > ZOG6
struct result_2 ]f q.r
{ j{9sn,<:
typedef T2 & result; xAD: Z"
} ; nV%1/e"5
template < typename T > BS;_l"?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const b#^UP
{ ;,]T|>M
return (T & )r; jxr~cp?4
} |L4K#
template < typename T1, typename T2 > :-
ydsR/
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const _S#uxgL<
{ }4kd=]Nk
return (T2 & )r2; b^\u
P
} Hs8c%C
} ; |}\et
ecB
,!3G
>T4.mB7+>
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> >。 :d-+Z%Y
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Nd*zSsVlq
首先 assignment::operator(int, int)被调用: M: qeqn+
,xrXby|R"
return l(i, j) = r(i, j); P-VK=Y1q
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 969*mcq'
_*+ 7*vAL
return ( int & )i; %@5f+5{i!z
return ( int & )j; Qe=!'u.nL
最后执行i = j; `|;R}"R;
可见,参数被正确的选择了。 ;K0kQ<y-Y
<w.W[ak
V 3-5:z
b$+.}&M
0Q=4{*:?
八. 中期总结 A5zT^!`[
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: 'tp1|n/1
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 tm(.a?p
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Os@ d&wm
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Bls\)$
t+5JIQY>
RJ1Q.o
V7!x-E/
C9U~lcIS
*S_eYKSl
九. 简化 E3y"
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。 m0W5O gk
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 1+PLj[;jJ:
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: <DCrYt!1}c
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 :grJ}i-D
+-*/&|^等 Ex~[Hk4ow
2. 返回引用。 u~6`9'Ms
=,各种复合赋值等 TDdFuO'}
3. 返回固定类型。 b}p 0&%I
各种逻辑/比较操作符(返回bool) }\B`tAN
4. 原样返回。 'QjX2ytgX
operator, 7^h?<X\
5. 返回解引用的类型。 *Y6BPFE*4
operator*(单目) "*WzoRA={
6. 返回地址。 =m=`| Bn
operator&(单目) Pm6/sO
7. 下表访问返回类型。 wGE:U`
operator[] Aq}]{gfQ1
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 C XZm/^
operator<<和operator>> n0kBLn
-82Rz
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。 zo&'2I
例如针对第一条,我们实现一个policy类: _H|x6X1-
|<P]yn
template < typename Left > `AeId/A4n
struct value_return `(<XdlOj
{ ?ZDXT2b~~
template < typename T > pm,&