一. 什么是Lambda etf ft8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ih`/1n
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, (PGmA>BT
L1BpkB
3M{!yPlj
^
vI|
class filler :{4G=UbAI
{ 1W~-C B>
public : 3iYz<M
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} MSeO#X
} ; )xQxc.
y:4Sw#M%(
1E$Z]5C9
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: p@i U}SUaE
N(Y9FD;H
jbIWdHZ/US
.u7d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); d!8q+FI
}#!o^B8
_zh}%#6L
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 :Tuy]]k
(m;P,*
R'dF<&Kj|
?]fBds=
二. 战前分析 w2]1ftY
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 &8"a 7$
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 ?P`wLS^;
0O-p(L=
H'gPGOd
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?Tuh22J{Q
/* --------------------------------------------- */ Jr17pu(t
vector < int *> vp( 10 ); /bCrpcH
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); um,/^2A
/* --------------------------------------------- */ uzp!Y&C
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Rp`}"x9
/* --------------------------------------------- */ oeIB1DaI
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 9q* sR1
/* --------------------------------------------- */ /SMp`Q88
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); aF'Ik XG d
/* --------------------------------------------- */ GQF7]j/
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); X0vkdNgW
A1Q]KS@
-8 &f=J)
D<xP x
看了之后,我们可以思考一些问题: "#4PU5.
1._1, _2是什么? AO']Kmm
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。 #{h4lte
2._1 = 1是在做什么? O)9T|,
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。 JC =Bxv
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。 h@W}xT
WX0@H[$i#
tOspDPSXX
三. 动工 p~3CXmUc~
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ny=CtU!z
#h r!7Kc;N
h+Q==
d9Q%GG0]
template < typename T > Pi8U}lG;
class assignment @F,HyCSN
{ p^L6uM
T value; l,v:[N
public : <M$hj6.tn
assignment( const T & v) : value(v) {} >Mvt;'c
template < typename T2 > |_w*:NCV5
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } C62<pLJf
} ; CiMy_`H
5T
z4f5@
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 7PisX!c,h
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment :\bttPw5
@x=CMF15
MiSFT5$v6
|Pj _L`G
class holder -Z;:_"&9
{ o<g (%ncr
public : .7kVC
template < typename T > \\/X+4|o'
assignment < T > operator = ( const T & t) const *=sU+x&X
{ d->b9
return assignment < T > (t); }Ns_RS$
} 9Q.j
<
} ; ~z
aV.3#
{==Q6BG*
mWGT
(`|~/
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: 6Edqg
'PO1{&M
static holder _1; d")r^7
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 &G"]v]V
~}M{[6!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); G6J3F
而不用手动写一个函数对象。 1u`Z?S(
5$#<z1M.&
brVT
6@$[x* V
四. 问题分析 _E"[%
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。 utTek5/
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。 ^Gyl:hN
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 /J6CSk
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 1rKR=To
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ~ACB#D%
O:U@m@7
五. 问题1:一致性 K:Ap|F
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?| +|0 m6)J]
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 c49#aNR
K)14v;@
struct holder >2|#b
{ $K iMu
// 3LTO+>, |"
template < typename T > 8%NX)hZyq}
T & operator ()( const T & r) const ;'Y?wH[
{ lfKknp#B/O
return (T & )r; L"Gi~:z
} J\%:jg( m
} ; G]S E
A
ZN)/doK
这样的话assignment也必须相应改动: mA."*)8VNg
;e{2?}#8&
template < typename Left, typename Right > z~BB|-kp1
class assignment [X
I5Bu ~
{ +-Dd*yD6<
Left l; l:ED_env:
Right r; Q?>#sN,
public : EvYw$j
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} I*ej_cFQ^
template < typename T2 > 4 hj2rK'y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ]`NbNr]K
} ; DYl^6]
w(yU\
N
同时,holder的operator=也需要改动: `%=Jsi0.Nq
^DH*@M
template < typename T > ~;+vF-]R
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const D6vn3*,&
{ e\dT~)c
return assignment < holder, T > ( * this , t); U\[V !1O
} =?lT&|"
rNAu@B
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。 epL[PL}
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 4Rm3'Ch
cjR.9bgn
return l(rhs) = r; ^M9oTNk2
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。 2mO#vTX4
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: +wSm6*j7=
pxbNeqK@p
template < typename Tp > +E:(-$"R
class constant_t M~Slc*_%
{ {q)B@#p
const Tp t; Z:hrrq9
public : p^:Lj 9Qax
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} J*Hn/m
template < typename T > L8zqLDi&
const Tp & operator ()( const T & r) const gB(W`:[
{ "6dbRo5%
return t; -IS9uaT5
} aX%Zuyny
} ; {t:ND
%MJ7u}
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 713M4CtJ
下面就可以修改holder的operator=了 EM*OrUe
F"H!CJJu&
template < typename T > XgKG\C=3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 5)7mjyo%
{ W~F/ZrT3A
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); :\JbWj_j
} 1^#Q/J,
%m) h1/l
同时也要修改assignment的operator() "T
u[n\8
} XU:DE
template < typename T2 > *F*fH>?C#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 4.B*B3
现在代码看起来就很一致了。 ~ p.W*skD
$-?5Q~
六. 问题2:链式操作 bDS1'Ce
现在让我们来看看如何处理链式操作。 DB%AO:8
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 !s*''v*
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 FTnQqDuT
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Qsxkw
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct >Mz|e(6
T;r];Y(b*
template < typename T > p}DF$k%`
struct result_1 0,$-)SkT
{ ~:<@ `
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; {dx /p-Tv
} ; N8YBu/
6q[!X0u
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: HL}~W}!j
eQVPxt2N
template < typename T > F2`htM@,
struct ref E:4P1,%01+
{ $:E}Nj]{&
typedef T & reference; QcG5PV
} ; 1|WpKaMoq
template < typename T > o+_/)c
struct ref < T &> U?F^D4CV\
{ Eh@T W%9*
typedef T & reference; Ym.l@(
} ; (d'j'U:C
Dyk[ug5
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: q$?7
~*M;x
]6BmCh
template < typename T > 3']:1B
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const HCx%_9xlm
{ =tc`:!$
return l(t) = r(t); Z&]+A,
} ~0F9x9V
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。 w38c
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 [CDX CV-z
ZcTL#OTP
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 xZP >g
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: (~7m"?
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 0^&(u:~
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 mS:j$$]u
最后的布局是: DN"S,
Add Oj"pj:fB
/ \ :otY;n -
Divide 5 O2q=gYX>\
/ \ Db#W/8
a8k
_1 3 8|5Gv
似乎一切都解决了?不。 m@G<ZCMZ
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。 ']ITuP8
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。 @ .Z[M
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: >[|GC/C
< QDr,Hj
template < typename Right > b(#"w[|
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const HPtTv}l
Right & rt) const @],6SKbG6
{ pcI&
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); lL(p]!K'
} -E8ntY-
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 `1fJ:b/M
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。 E!zd(
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。 5JBB+g
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。 q+A<g(Xu
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。 L_THU4^j
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? UAsF0&]
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: UF&0&`@
I.^X 2
template < class Action >
Ws-6W!Ib%
class picker : public Action l |08
{ Js\-['`
public : (3
IZ
picker( const Action & act) : Action(act) {} k{gl^
// all the operator overloaded T@;! yz}Pf
} ; CfPXn0I
)KSisEL
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。 BFBR/d[&
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: q';&SR#"`K
xS=_yO9-
template < typename Right > U9 1 &|
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const _PK}rr?"7O
{ 8[8|*8xqs
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Err4
%-
} r5t;'eCea
=nJ{$%L\x,
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > {eEBrJJeB
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 =WIE>*3[
/8f>':zUb
template < typename T > struct picker_maker L +L9Y}
{ aXMv(e+
typedef picker < constant_t < T > > result; ZU=,f'bU
} ; o^HNF+sm
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > TqIAWbb&
{ x>}B#
typedef picker < T > result; >BBl7
} ; Vwjk[ DOL
9lKn%|=T
下面总的结构就有了: Hal7
MP
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 YPu9Q
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 TYYp"wx
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 .:rmA8U[
至此链式操作完美实现。 }*NF&PD5RU
Do|]eD
2z4<N2!M
七. 问题3 _}D%iJg#
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 KE<kj$
.Y;b)]@f
template < typename T1, typename T2 > yH^f\u0
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 2+z1h^)W
{ m+?N7
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); HN{z T&
} :Zza)>l
zxkM'8JC
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: {;*}WPYb
xOythvO
template < typename T1, typename T2 > k0L] R5W
struct result_2 TXjloGv^
{ 3)3Hck
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; n@hl2M6.x9
} ; >L gVj$Z
xRlYr# %
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? B@ {&<
这个差事就留给了holder自己。 n#4Gv|{XMD
I.1D*!tz
Y6A;AmM8
template < int Order > t0q_>T-kt
class holder; OiF{3ae(
template <> iwU[6A
class holder < 1 > =Q-k'= 6\
{ );Z]SGd
public : Ry?4h\UX5
template < typename T > e # 5BPI
struct result_1 LEZ&W;bCo
{ ;$7v%Ls=
typedef T & result; PnA?+u2m
} ; 8u>gbdU
template < typename T1, typename T2 > dy2rkV.z
struct result_2 NgVR,G|1
{ R(G\wqHUT3
typedef T1 & result; _1aGtX|W
} ; <J&7]6Z
template < typename T > D^+?|Y@N
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const <*<U!J-i
{ z}+i=cAN
return (T & )r; ]!Oue_-;
} Lu=O+{*8
template < typename T1, typename T2 > je%l dY]/@
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const UX2lPgKdLz
{ {:bN/zV#
return (T1 & )r1; -R0/o7
} zT[6eZ8m
} ; w^HjZV
X`:'i?(yj
template <> <^8*<;PaG
class holder < 2 > (?>cn_m
{ KxIyc7.
public : Y.sz|u 1
template < typename T > ~}'F887 f
struct result_1 SJk>Jt=
{ <uci9- eC
typedef T & result; &w85[zs
} ; D//=m=
template < typename T1, typename T2 > 8]bz(P#
struct result_2 bMm3F%FFq&
{ 'c %S!$P
typedef T2 & result; F PR`tE
} ; UV AJxqz%}
template < typename T > /[=E0_t+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const =sgdkAYwP
{ 2'|8Q\,:4Z
return (T & )r; QA?oJ_}y
} fDh]tua
template < typename T1, typename T2 > .tnkT;T
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ;a
r><w
{ <+v{GF#R
return (T2 & )r2; o&SSvW
} pf&ag#nr
} ; t
Rm+?
s^hR\iY
eGL<vX
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> >。 (=u'sn:s
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 94/BG0
首先 assignment::operator(int, int)被调用: )8,|-o=
7K;!iX<d
return l(i, j) = r(i, j); @?kJ).
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) :Ht;0|[H
28I^$> [
return ( int & )i; KpHw-6"
return ( int & )j; BPv>$
m+.
最后执行i = j; cn`iX(ZgR
可见,参数被正确的选择了。 !%)]56(
`yO'[2
[f/I2
2C=Q8ayvX
"_1)CDqP
八. 中期总结 I&VTW8jB
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: W7sn+g\
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 F@YKFk+a
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 vB'>[jvA|
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor viX
+|A4gJ
H t(n%;<
!l@zT}i??
neZ.`"LV
0#_'o ,
oUZoj2G1
九. 简化 .a'f|c6
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。 soRv1) el
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Kn`M4O
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: h^UKT`9vt
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 &7e)O=
+-*/&|^等 <ABX0U[*
2. 返回引用。 +0Q,vK#j^
=,各种复合赋值等 ]6r;}1c
3. 返回固定类型。 w"Y` ]2
各种逻辑/比较操作符(返回bool) , t5 '
4. 原样返回。 2_^aw[-
operator, E
H:T
5. 返回解引用的类型。 ED>prE0
operator*(单目) 8,P-
7^
6. 返回地址。 /D&%v*~E
operator&(单目) l e4?jQQ@L
7. 下表访问返回类型。 '7^M{y/dU
operator[] }je,")#W
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值
s#~GH6/
operator<<和operator>> E>'a,!QPv
IYn]U4P.
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。 )L{ghy
例如针对第一条,我们实现一个policy类: X|f7K
ULrr=5&8
template < typename Left > }D411228
struct value_return M>9-=$7
{ gI^oU4mq
template < typename T > )a9 ]US^
struct result_1 IN8>ZV`j)
{ A1'hlAGF
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; <h%O?mkC
} ; (~CLn;'
`ps)0!L
L`
template < typename T1, typename T2 > /Jf.y*;
struct result_2 EVp,Q"V]
{ L
pR''`2BT
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; Bjk]ZU0T
} ; JlMT<;7\
} ; BdlVabQyKW
Y<1QY?1sd
/VmR<C?h
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ~ P~
0/S_e)U
下面我们来剥离functor中的operator() IDnC<