一. 什么是Lambda E$] 7w4,n
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 We%-?l:"
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, n Bv|5$w:
F-g(Hk|v
833KU_ N
0G?0 Bo
class filler /H&:
{ )MqF~[k<-
public : B]~#+rMK
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} `G>
6
} ; cN_e0;*Ua
\xJTsdd
/Ps}IW
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: ujsJ;\c
'|Dm\cy
@/i{By^C
bSsX)wHm
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ;i?Ao:]
?XO$9J
z%5i ^P
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 "&Ym(P
}8J77[>/
T )
T0.c
?-[.H^]s~
二. 战前分析 'eg?W_zu
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 &g;4;)p*8
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 7bOL ,S
;hU56lfZ)X
9v&{;
%U
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4L\bT;dQ|.
/* --------------------------------------------- */ f@Mm{3&.
vector < int *> vp( 10 ); V4'G%!NY
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ,y@`=
/* --------------------------------------------- */ aGvD
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); TWE$@/9 )g
/* --------------------------------------------- */ M6U/.
n
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); os*QWSs
/* --------------------------------------------- */ |9.`qv
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 0p\R@{
/* --------------------------------------------- */ fXCx!3m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Zo
_=@9XvNM
d51l7't
4SSq5Ve<
看了之后,我们可以思考一些问题: (r,tU(
1._1, _2是什么? d4<Ic#
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。 uV?[eiezD0
2._1 = 1是在做什么? R06q~ >
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。 Qag@#!&n
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。 | W:JI
so_
+o})Cs`|=A
三. 动工 g(m3
&
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \NwL #bQ~
mle"!*
[I:D\)$<
2^N
4(
template < typename T > NidG|Yg~Z
class assignment 8$}1|"F
{ AU@K5jwDwQ
T value; zn|~{9>y
public : {:M5t1^UC
assignment( const T & v) : value(v) {} `vWFTv
template < typename T2 > i_T8Bfd:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } "2:]9j
} ; VKRj
1LXz
kK+<n8R2
/]4[b!OTJ
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 aW$(lf2;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment /pzEL
Gr6XqO_
~L
j[xP
ukBj@.~
class holder hp?hb-4l
{ H ^P uC (
public : 6Ouy%]0$I3
template < typename T > . _JM3o}F
assignment < T > operator = ( const T & t) const ZZqImB.Cz6
{ )u~LzE]{_
return assignment < T > (t); ]l.y/pRP5[
} :=x-b3U
} ; n)$T
zND
) 9h5a+Z
J8w#J
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: KZ^W@*`D
Qe<DX"
static holder _1; V4p4m@z^u
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 hKP!;R
2lPj%i 5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 16=tHo8|
而不用手动写一个函数对象。 Z"rrbN1
j<w";I&Diz
Xi3:Ok6FZ
Ht#5;c2/
四. 问题分析 !DFT}eu
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。 yAOYe"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。 @Q~Oc_z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 "1P8[
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 #:"F-3A0
下面我们可以对这几个问题进行分析。 VE{[52
EJ&[I%jU
五. 问题1:一致性 X=]FVHV;
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?| #xZ7%
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 'ms&ty*T
3D>syf
struct holder apQ` l^
{ w7}m
T3p,)
// ]&%_Fpx
template < typename T > ta\AiHm
T & operator ()( const T & r) const _/0vmgQ&
{ !U38aHG
return (T & )r; =9@{U2 =l
} !}fq%8"-
} ; 9fR`un)f}
y\7 -!
这样的话assignment也必须相应改动: 3}{od$3G
Yg@k+
template < typename Left, typename Right > R<aF;Rvb5
class assignment ]H8,}
{ *{|{T_H:
Left l; mk#xbvvG
Right r; &t1?=F,]
public : {w*5uI%%e
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} R/5aIh
template < typename T2 > I_66q7U"0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } &`hx
} ; M]PH1 2Ob
#=r:;,,
同时,holder的operator=也需要改动: "bZ{W(h
t3%[C;@wB
template < typename T > FTvFtdY
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ^b)8l
{ g/Q hI
return assignment < holder, T > ( * this , t); Cisv**9
} Ul#||B .c{
6}bUX_!&s
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。 ht _fbh(l
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 P)bS ;w\(Y
!#P|2>>u
return l(rhs) = r; 63R?=u@
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。 _kR);\V.8
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 3_k.`s_Z
2L}F=$zz
template < typename Tp > kc#<Gr&Z&
class constant_t }!{9tc$<b
{ B;f\H,/59
const Tp t; U_!Wg|
public : Q
_Yl:c
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} RzG7Xr=t
template < typename T > Z9rmlVU6!
const Tp & operator ()( const T & r) const $*EK
v'g[n
{ 5&V0(LT]C
return t; R7YLI1ov
} /.!ytHw8
} ; o'nju.'
5P{PBd}glp
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 owYf1=G
下面就可以修改holder的operator=了
[7d>c
26n+v(re
template < typename T > VNKtJmt
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const @64PdM!L
{ ~Y=v@] 2/
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); nlv8HC
} 7q_B`$ata
2xy
&mNx
同时也要修改assignment的operator() ?V6A:8t,
x;d*?69f]
template < typename T2 > UuDs
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ux-puG
现在代码看起来就很一致了。 78'HE(*
dN'2;X
六. 问题2:链式操作 Jo%5 NXts4
现在让我们来看看如何处理链式操作。 .~J}80a/
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。 ""-#b^DQ
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。 @2H"8KX
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。 $Pw@EC]
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct t
As@0`x9
J,@SSmJ`
template < typename T > "[W${q+0x
struct result_1 <\i}zoPO
{ Zx&gr|)}
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 0K/?8[#
} ; alu3CE
Q4;eN w
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: r3.A!*!
M[aF3bbN
template < typename T > )3h%2C1uM
struct ref M'Fa[n*b?!
{ 3Yu1ZuIR
typedef T & reference; {Dv^j#
} ; 5LJUD>f9Z
template < typename T > >,JLYz|</
struct ref < T &> xqV>m
{ 7S"W7O1>
typedef T & reference; HR0t[*
} ; !YJfP@"e6r
X~ca8!Dq
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: VXr'Z
(N63k1M
template < typename T > =b\k$WQ_(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const }6YD5?4
{ a~#MMl
return l(t) = r(t); ci]IH]x
} i7@qfe$fR
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。 cL/6p0S
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 fb8"hO]s
6]`XW0{C
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 mc{gcZIm
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: >GR L5Iow
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 e+Qq a4
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 v.eN Wp
最后的布局是: G-5wv
Add kVu8/*Q
/ \ h!c6]D4!L
Divide 5 w.tQ)x1h
/ \ Q<TD5t9
_1 3 y]1:IJL2;
似乎一切都解决了?不。 hN(sz
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。 d=?Kk4Ag
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。 KC@F"/h`/
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:
aD5jy
AGxtmBB;
template < typename Right > Y\CR*om!W
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const =_(i#}"A
Right & rt) const Y8*k18~
{ m|tE3UBNv
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); .23z\M8
-
} M\%LB}4M
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 o: \&4z&=
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。 al{;]>W
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。 V1aWVLltj
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。 5f.G^A: _X
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。 )e,Rp\fY$
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? m6V:x/'=
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: r3 OTU$t?
'g3!SdaLF
template < class Action > FbvwzZ
class picker : public Action )9(Mt_
{ v=-8} S
public : =\jp%A1$
picker( const Action & act) : Action(act) {} ql
Z()
// all the operator overloaded '%JIc~LJ
} ; p([g/Q
`O:ecPD4M
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。 a(!_3i@
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: ;
E Nhy
%}t<,ex(yO
template < typename Right > -}2'P)Xp
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const f7y a0%N
{ N$Pi4
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?kOtK
}
]QB<N|ps
(eTe`
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > mkJC*45
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 B@R3j
]{tnNr>mv
template < typename T > struct picker_maker /FzO9'kj
{ 9*AH&/EXth
typedef picker < constant_t < T > > result; u9 LP=g
} ; xG802?2i/;
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > {J`]6 ba
{ Y[oNg>Rz
typedef picker < T > result; {9yv3[f3
} ; T]&%
KQ
(:JX;<-
下面总的结构就有了: BvXA9YQ3
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 |AY`OVgcKD
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 C26vH#C
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 NGA8JV/U
至此链式操作完美实现。 }sbh|#
V$D+Joj
K^H{B& b8
七. 问题3 =Gka;,n
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。 -pWnO9q
(e:@7W)L
template < typename T1, typename T2 > O$'BJKj-4
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const SGuR-$U`)
{ ~Y-
!PZ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); X\?PnD`,
} 8M{-RlR
qs96($
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: .XD.'S
u@(z(P
template < typename T1, typename T2 > s-\.j-Sa
struct result_2 (MI8Kkb1d
{ 3J^"$qfSn
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 'N-nFc^
} ; i)vbmV
&rdz({
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 5xHP5+&
这个差事就留给了holder自己。 4G:?U6
J%_m`?
9Ai e$=
template < int Order > 3ID1>
class holder; (?9 @nS
template <> Ts+S>$
class holder < 1 > Z6.0X{6nA
{ .?16w`Y
public : X:aLed_{f
template < typename T > {_ &*"bK
struct result_1 m|:O:<
{ ;WF3w
typedef T & result; G5C=p:o{/
} ; PrA?e{B5m
template < typename T1, typename T2 > lT`y=qR|
struct result_2 0E6>PE;
{ S;!l"1[;
typedef T1 & result;
: h"Bf@3
} ; /S}4J"
template < typename T > R2]2#3`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const jH4,-
{ 9n(.v}
return (T & )r; k<bA\5K
} ?3f-"K_r
template < typename T1, typename T2 > q_5hKipd\b
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 3Pj#k|(f[0
{ 7P&O{tl(
return (T1 & )r1; -E*VF{IG1
} kOu C@~,
} ; \`FpBE_e)
KdBE[A-1^M
template <> EWcqMD]4u
class holder < 2 > x]e&G!|
{ G*oqhep
public : (%bqeI!ob
template < typename T > )D_\~n/5
struct result_1 5:oteNc3
{ _TGv"c@V
typedef T & result; Q1cM{$}M
} ; !x%$xC^Iz
template < typename T1, typename T2 > yvQRr75
struct result_2 NCid`a$
{ il=:T\'U9
typedef T2 & result; E46+B2_~zk
} ; JO|%Vpco
template < typename T > xI'sprNa_1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const HDV@d^]-
{ 4#dS.UfI
return (T & )r; (
04clU^F
} D-v}@tS'
template < typename T1, typename T2 > <Mt>v2a3Y
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const %%7~<=rk
{ 2YS1%<-g*
return (T2 & )r2; T>$S&U
} ^ UB*Q
} ; ZxDh94w/
t08E
2sI
u3[A~V|0=
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 )BJ Z{E*
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: X:0-FCT;\
首先 assignment::operator(int, int)被调用: +!@@55I-
GLS`1!
return l(i, j) = r(i, j); :n%KHen3\
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) a 8(mU%
+NM`y=@@
return ( int & )i; vv F:
return ( int & )j; IP#?$X
最后执行i = j; u0s25 JY.%
可见,参数被正确的选择了。 ,MmX(O0
D|8Pe{`
r+yl{
wjRv=[
E1"H(m&6
八. 中期总结 Xb/W[rcs
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: R&!{3!V
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 )0tq&
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 w1N-`S:
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor (8XP7c]5
x/)o'#d$|l
cBGR%w\t%
^U5g7Emf
8c1ma
`S&.gPE2
九. 简化 UA%tI2
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。 [f8mh88r
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 )C1ihm!7\
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: GIs
*;ps7w
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Z%_m<Nf8T
+-*/&|^等 $K'A_G^
2. 返回引用。 -9X#+-
=,各种复合赋值等 uhf%
zG
3. 返回固定类型。 RaX:&PE
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 1OwVb
4. 原样返回。 #P^cR_|\
operator, ~HM,@5dFC
5. 返回解引用的类型。 6u6,9VG,
operator*(单目) J+]W*?m
6. 返回地址。 ywCF{rRd
operator&(单目) LQr+)wI
7. 下表访问返回类型。 )W0zu\fL =
operator[] =KCAHNr4?
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 xO` `X<
operator<<和operator>> asLvJ{d8s
Iu=n$H
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。 FL8?<bU
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ]K^#'[
?T (@<