一. 什么是Lambda 4htSwK+
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 L/iVs`qF
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, R{OE{8;
:hhE=A>X
jcv1z v.
BtNW5'^
class filler 1uS>{M
{ sG1]A:_<C
public : j~L1~@
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} %[\Ft
} ; !qw=I(
~q_+;W.
@y\{<X.F\1
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: vo( j@+dz
?lwQne8/
kj3o1 Y
u0oYb_Yv
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 6nWx>R<
:rs\ydDUF
/4B4IT
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 N7I71q|
1={Tcq\]
4(0t
GF
iZq@W3GL
C
二. 战前分析 _l{5'm
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。 R;TEtu7
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 |gRgQGeB
-IEP?NX
@<TfA>*VJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); X-N$+[#
/* --------------------------------------------- */ IL6f~!
vector < int *> vp( 10 ); "k1Tsd-
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); =@jMx^A"
/* --------------------------------------------- */ %`\_l
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); mv%:[+!
/* --------------------------------------------- */ ,pa&he
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); |Q)w3\S$
/* --------------------------------------------- */ t-4R7`A<
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); JJHvj=9'o
/* --------------------------------------------- */ %Rsf6rJ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); =Wy`X0h
!
7*_Z=
`i)ePiE
?5YmE(v7
看了之后,我们可以思考一些问题: Oc/_T>
1._1, _2是什么? }B
'*8^S
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。 Qhr]eu;z
2._1 = 1是在做什么? ?^$4)Y>Kf
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 dbUZGn~
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 |^k1hX2?W
'GzhZ`E6
L,A-G"z0Z
三. 动工 6L> "m0
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类:
pOI`,i}.
6p=x gk-q
!4,xQ^
)(!Z90@
template < typename T > 7CL@iL Tq
class assignment g&F<Uv#mZ
{ A{Htpm ~
T value; )>M@hIV5>
public : '-]BSU
assignment( const T & v) : value(v) {} qddT9U|8~
template < typename T2 > %V1T!<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } (:HbtrI
} ; O9=H
[b
p,u<gJUL
KIBZQ.uG
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 c)!s[o L
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment %3+hz$E
a={qA4N
I;Fy
k70w;
/>. X+N
class holder iN4'jD^oP
{ lvJ{=~u
public : I+d(r"N1
template < typename T > s&`XK$p
assignment < T > operator = ( const T & t) const hG;=ci3EE
{ y'O{8Q8T
return assignment < T > (t); 0#/
6P&6
} rHBjR_L.2
} ; 2T%f~yQ^
^?]H$e
ftH%, /,
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: TIhzMW\/K
_%Ld
Ez
static holder _1; J9=0?^v-:B
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 JIKxY$GS
ZpctsCz]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); J'c9577$
而不用手动写一个函数对象。 5"~^;O
HgATH
]bE?n.NwZ
Hpg;?xAT
四. 问题分析 b-zX3R;
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。 /cen#pb
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。 'I>#0VRr
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 LbbQ3$@WD
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 {bW3%iU
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Dj.+5f'
"s<lLgi
五. 问题1:一致性 ,wo"(E!4e
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| rPpAg
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ({nSs5)$
Od]xIk+E
struct holder \` ^Tbn:
{ T|2%b*/
// V@'S#K#
template < typename T > "[S
6w
T & operator ()( const T & r) const gbf=H8]
{ .
\0=1P:
return (T & )r; ^|;4/=bbs
} '0$[Ujc
} ; }F`2$Q+CW
W*`6ero
这样的话assignment也必须相应改动: pDq_nx9
TPFmSDq
template < typename Left, typename Right > f:&OOD o
class assignment "]V|bz o0a
{ * .VZ(wX
Left l; 1+}Ud.v3VW
Right r; ~'.yhPog
public : Fh$&puF2
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 9?$!=4
template < typename T2 > k+M-D~@5H
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } dKTAc":-}
} ; `2+e\%f/0
O9)}:++T
同时,holder的operator=也需要改动: r$Qh`[<
K)\gbQ|
template < typename T > m9cT}x&j
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const r['C.S6
{ 6|cl`}g_j
return assignment < holder, T > ( * this , t); t3g!5
} \%Q
rN+WQ
lB~'7r`
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。 $i>VI
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 M?zAkHNS$
P$Ru NF
return l(rhs) = r; a\_,_psK
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 Vdk+1AX
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 3F!+c 8e
]sAD5<;
template < typename Tp > h18y?e7MU
class constant_t U/o}{,$A
{ Nb/%>3O@
const Tp t; fEv36xb2S
public : :ygz/L
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} !T. @
template < typename T > vGT.(:\-,
const Tp & operator ()( const T & r) const kk+8NwM1
{ C~V$G}mM
return t; j!7Uj]
} ;}'<`(f&nX
} ; -V<"Ay
j)qh>y)
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 {U-EBXV
下面就可以修改holder的operator=了 Mu%,@?zM^/
VW`=9T5%@
template < typename T > *G41%uz
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ,`@|C
Z-4A
{ mP[u[|]
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 26K~m@
} :q1r2&ne
$7d"9s\$"
同时也要修改assignment的operator() $u"$mg7x
??V["o T
template < typename T2 > qDb}b d5
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } c%.&F
现在代码看起来就很一致了。 nB0ol-<
'Sh5W%NM
六. 问题2:链式操作 ?='9YM
现在让我们来看看如何处理链式操作。 G3?z.5,Q
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。
#sZes
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。 oyw1N;K
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。 &[5az/Hj*
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 5wX>PJS
l:f
sZO4
template < typename T > ?s33x#
struct result_1 gwNkjI=,
{ Q#KjX;No
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ;D:T
^4
} ; #KW:OFT
3IFU{0a`
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: 54w-yY
a"0~_=
template < typename T > 55p=veq \
struct ref 90}B*3x
{ F9W5x=EK\
typedef T & reference; a~>h'}C>
} ; :6V8
template < typename T > Q>$L;1E*,
struct ref < T &> ]EQ/*ct
{ yk2j&}M
typedef T & reference; `l"~"x^Rr
} ; {eUfwPAa3
6<Z9p@6
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: e.V){}{V
|e&Kg~~C
template < typename T > aK'r=NU
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ;zDc0qpw
{ to7)gOX(
return l(t) = r(t); Xk'.t|
} :f;|^(]"
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 n4johV.#
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ?f..N,s
<H 6Uo#ao
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 7ZZt|bl
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: {wI0 =U
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 -S@:
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 =P{RHhWy;
最后的布局是: 's<}@-]
Add e{&gF1"[
/ \ 3yN1cd"#?
Divide 5 BL67sva;
/ \ d%bL_I)
_1 3 tO7{g
似乎一切都解决了?不。 x]Ef}g
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 `2B+8,{%
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 e-mlvi^-
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: fp0Va!T(V
1~Nz6
template < typename Right > ~\P.gSiz
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 1 <+^$QL
Right & rt) const mLE`IKgd]
{ ] ?(=rm9u
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); }g?]B +0
} X6RM2
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 . {I7sUQ
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。 =%LS9e^7D
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。 Gj=il-Po
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。 #x21e }Li
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。 K-ebAaiC
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? STe;Sr&p
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: AI2CfH#:C
V 6F,X`7
template < class Action > TL>e[PBO
class picker : public Action _qV_(TpS+
{ V QI7lJV"
public : ;G$FLL1
picker( const Action & act) : Action(act) {} yrw!b\
// all the operator overloaded #'qW?8d}
} ; _wBPn6gg`
,P^"X5$
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。 6k2~j j1d
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: /NZR|
I8y\D,
template < typename Right > bPNsy@"6
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +\4=G@P.J
{ DcS~@ ;
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 6%TV X
} ''G@n*
^s5)FdF8
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2;/hFwm
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。 4y'REC
":OXs9Yg
template < typename T > struct picker_maker SPBXI[[-
{ =B 9U
typedef picker < constant_t < T > > result; xQQ6D
} ; 0!Yi.'+
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > >
Xma0k3;-
{ ;I>`!|mT
typedef picker < T > result; +xMDm_TGLA
} ; RaAq>B
WPr
pS0T>r
下面总的结构就有了: b> |oU
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。 -Db(
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。 g(1'i 1
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Uu
,Re
至此链式操作完美实现。 ~c4Y*]J
Ae1},2py
"'%x|nB
七. 问题3 Nbr{)h
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。 ?G@%haqn6
;Bm{_$hf=
template < typename T1, typename T2 > IcB>Hg5
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const \a<E3
<
{ AK[c!mzx
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 52oR^|
} <iMLM<J<w
'2NeuK -KD
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: --FvE|I
yDPek*#^"q
template < typename T1, typename T2 > /)~McP3
struct result_2 bz1\EkLL
{ bkb}M)C
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; {+!_; zzZ
} ; 2l9_$evK~
kns[b [!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? I)clGMS,
这个差事就留给了holder自己。 c8(.bmvF
%BL +'&q
4WLB,<b}
template < int Order > /SyiJCx0
class holder; s;bqUY?LD
template <> BzDS
class holder < 1 > T6tJwSS4:
{ bcQ$S;U)
public : U9Sp$$L
template < typename T > dG1qrh9_-
struct result_1 Rcu/ @j{O
{ {|qz>
typedef T & result; cB|](gWS~
} ; 9vXrC_W9
template < typename T1, typename T2 > <3i!{"}
struct result_2 gX[6WB"p
{ y<)x`&pcD
typedef T1 & result; f+rBIE
} ; wEdXaOEB5
template < typename T > |KuH2,n0
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L;Nm"[`
{ C3|M\[*fp
return (T & )r; !O*\|7A(
} <|v]9`'
template < typename T1, typename T2 > YS/4<QA[
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const w!61k \
{ IyMKV$"
return (T1 & )r1; +ft?aB@
} =h4XsV)rO
} ; &",pPuq
OfPWqNpO
template <> %N 2=: ;f
class holder < 2 > Hg<]5
{ }nkX-PG9
public : 9T)-|fja_
template < typename T > C/)Xd^#
struct result_1 5K,Y6I&$SJ
{ v=!]t=P)t
typedef T & result; `Dj-(~x
} ; $cc]pJy"}
template < typename T1, typename T2 > QHK$2xtq|
struct result_2 y:xZ(RgfF
{ l2xM.vR
typedef T2 & result; <J\z6+,4E
} ; pbJs3uIR
template < typename T > z`lDD
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const nT:ZSJWM
{ O0e6I&u:
return (T & )r; SwLul4V
} h&&ufF]D
template < typename T1, typename T2 > $Die~rPU
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const gz8<&*2
{ @`)A)
return (T2 & )r2; gE|_hfm(
} kf';"
} ; p;g$D=2
:dK/}S0
4\3Z$%2^LZ
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 |*Hw6m
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: c{zQX0
首先 assignment::operator(int, int)被调用: >a[)F
+Ibcc8Qud
return l(i, j) = r(i, j); +[ !K
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) LyH{{+V
\It8+^d@
return ( int & )i; F8f@^LVM/
return ( int & )j; @a+1Ri`)
最后执行i = j; &0~E+
9b
可见,参数被正确的选择了。 8e x{N3
Hr:WE+'
LNtBYdB`pK
{U>B\D
e+j7dmGa
八. 中期总结 nKT\ /}d
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: l@%MS\{
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 YRqIC -_
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 }O-|b#Q
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor >2TDYB|;
^ 14U]<
o/
ozX4C
9ELLJ@oNC
82{Lx7pI
,dP-sD;<
九. 简化 *Mgl X<
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 ~J)_S'
#
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 <`}Oi5nW
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ^fa+3`>
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 7E6gXf.
+-*/&|^等 x=(Q$Hl5
2. 返回引用。 'gI q_t|^
=,各种复合赋值等 oSq4g{xvMH
3. 返回固定类型。 J4&d6[40
各种逻辑/比较操作符(返回bool) "8>T
4. 原样返回。 kZfa8wL]P
operator, A}W)La\
5. 返回解引用的类型。 !RN(/ &%y
operator*(单目) j#rjYiYKy
6. 返回地址。 07`hQn)Gc
operator&(单目) >+ulLQqe
7. 下表访问返回类型。 nkUSd}a`r
operator[] EBc_RpC/Z
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 V4PI~"4q#1
operator<<和operator>> hCS|(8g
4$ya$Y%s%
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。 O`<id+rx
例如针对第一条,我们实现一个policy类: G(" S6u
xEb+sE6Z
template < typename Left > MOi.bHCQJP
struct value_return <b!nI
N
{ qbrY5;U
template < typename T > 5)bf$?d
struct result_1 ZCVwQ#Xe+
{ )RG@D\t ,
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 0]p!
Bscaf
} ; 46OYOa
"^Y)&