一. 什么是Lambda ]-a/)8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 C8)s6
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, -?{g{6
pX!T; Re;
Ad3TD L?
$3ZQ|X[|+
class filler <m{#u4FC'
{ $rbr&TJ
public : t@+e#3P!
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} "fSaM&@[B
} ; CO@ kLI
#(a ;w
(6[/7e)
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: l>BM}hS
OS>%pgv
#hu`X6s"
**AkpV)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); yOXEP
4&e<Sc64
ma QxU(
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 e8xNZG;
Pd
`~#!
xH,e$t#@@~
^HTvw~]5
二. 战前分析 |m*l/@1
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。 >lek@euqw
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 $DnJ/hg;qD
!B9Yw/Ba
_PwPLSg
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @ IDY7x27
/* --------------------------------------------- */ :iQJ9Hdz
vector < int *> vp( 10 ); <1x u&Z7
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :8N
by$#V
/* --------------------------------------------- */ vtK.7AF
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); V;)+v#4{
/* --------------------------------------------- */ V}Q`dEk2r
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); k{|>!(Ax
/* --------------------------------------------- */ h:FN&E c}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); R]>0A3P
/* --------------------------------------------- */ B7[#z{8'#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); A%&lW9z7
LUpkO
4[%_Bnv#AJ
={6vShG)m
看了之后,我们可以思考一些问题: .+u r+"i
1._1, _2是什么? 2'Kh>c2
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。 #BH]`A J
2._1 = 1是在做什么? X_rv}
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。 j9/iBK\Y
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。 g@?R"
2sEG#/Y=
}#=t%uZ/
三. 动工 : ?Z9
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: }~0}B[Rf
X%;4G^%ZI
U Q)^`Zj
am| 81)|a
template < typename T > {`>pigo
class assignment /%{CJ0Y
{ SF ^$p$mC
T value; W+s3rS2
public : o62GEl25
assignment( const T & v) : value(v) {} {D,-
Whi
template < typename T2 > C9FAX$$^(Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } x%W~@_
} ; ds{)p<LpT
l6MBnvi
q!h'rX=_-
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 5~#oQ&
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment w-@6qMJ
ye}86{l
Aaz:C5dtU
G#E8xA"{/
class holder c%
?@3d
{ bpDlFa
public : G \$x.
template < typename T > =4!m]*y
assignment < T > operator = ( const T & t) const mWLi XKnb
{ 4JH^R^O<n
return assignment < T > (t); U:PtRSdn!b
} e%9zY{ABR%
} ; l Yj$3
AmCymT3P*e
2@N-#x'
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: X@A8~kj1
0juP"v$C>
static holder _1; V9>$M=
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 #??[;xjs!
T7Ju7_q}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ,WoV)L'?
而不用手动写一个函数对象。 "b)EH/s
$o)}@TC
8ddBQfCY
#B_H/9f(
四. 问题分析 jPc,+?
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。 :C&6M79k
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。 p<FqK/
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 nLrCy5R:
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 @j(2tJ,w
下面我们可以对这几个问题进行分析。 -BwZ
lXVh`+X/l
五. 问题1:一致性 DW)81*~g
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?| 9R[PpE''
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 yRp&pUtb
>LVGNicQ
struct holder 3A! |M5
{ LMp^]*)t
// 19Mu}.+;
template < typename T > $KoGh_h
T & operator ()( const T & r) const <?Z]h]C^o
{ e%=SgXl2t
return (T & )r; |`AJP
} g-/ }*ml
} ; g6?5
\@{TF((Y
这样的话assignment也必须相应改动: WZviC_
v++&%
template < typename Left, typename Right > {~'Iu8TvZ
class assignment O`9vEovjs
{ ?MSV3uODb
Left l; Jgq#m~M6
Right r; wS|hc+1
public : hSj@<#b>F
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Zb<D%9
template < typename T2 > [[ll4|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } TFXKC l
} ; TCkMJs?
Dh68=F0
同时,holder的operator=也需要改动: J7kqyo"
F84<='K
template < typename T > tU.~7f#+A
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const {]4Zpev
{ Fc^!="H
return assignment < holder, T > ( * this , t); ;):E 8;B)
} 4S* X=1
~L_1&q^4!i
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 @"aqnj>+
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ( De>k8
PJ<9T3Fa
return l(rhs) = r; #w!ewC vt
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 wEU=R>j.
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: b4(,ls
fBBtS S
template < typename Tp > Bf3 QB]9
class constant_t @oD2_D2
{ gz Dfx&.0
const Tp t; 7gRR/&ZK
public : P9jSLM
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} +iNp8
template < typename T > (7"CYAe:;
const Tp & operator ()( const T & r) const E!=Iz5
{ Ns\};j?TU*
return t; ofs'xs1C
} =tGRy@QV'\
} ; CsjrQ-#9yn
E<@N4%K_Q
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 -'^:+FU
下面就可以修改holder的operator=了 [<wpH0lNoy
*rYPjk6g[
template < typename T > UsdMCJ&G
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 5eM{>qr}
{ `yC[Fn"E^
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); HNLr}
Y j
} Dnd
MieO1l
同时也要修改assignment的operator() x-b}S1@
UMK9[Iy$<M
template < typename T2 > -U|Z9sia
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } nXERj; Q"
现在代码看起来就很一致了。 1'1>B
1aPFpo!
六. 问题2:链式操作 '#jZ`
现在让我们来看看如何处理链式操作。 !Yz
CK*av1
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。 ^AoX|R[1%
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。 eZ
7Atuv
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。 #9{2aRCJ
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct b&RsxW7
N7_(,Gu*R
template < typename T > )&%Y{a#
struct result_1 k+hl6$:Qj%
{ $h5QLN
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; J.]`l\
} ; %Nx,ZD@
7t/Y5Qf
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: h\+8eeIl
@S6@pMo,
template < typename T > Z1]4:
struct ref ~JP3C5q
{ *]!rT&E
typedef T & reference; |+qsO;
} ; !=u=P9I
template < typename T > _`,ZI{.J^
struct ref < T &> /L./-92NH4
{ #8y"1I=i&
typedef T & reference; %\~U>3Q
} ; F6"s&3D{
L XTtV0F
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: $lAdh
e{^^u$C1.e
template < typename T > 46~nwi$,^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ?A-f_0<0
{ ScmwHid:\
return l(t) = r(t); [&(~1C|C
} ,R=$qi|
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。 ~g;)8X;;+
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 /[n]t
\+:`nz3m
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 $f>(TW
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: cg9*+]rc
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 :SY,;..3e
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^)h&s*
最后的布局是: -z%->OUu
Add b1%w+* d<z
/ \ [ u ^/3N
Divide 5 ja(ZJ[<`
/ \ r,Msg&rT
_1 3 dV-6 l6
似乎一切都解决了?不。 ,bP8"|e
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。 {XwDvLZ
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。 ({D>(xN
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: 6P)D M
b;NV vc(
template < typename Right > LLbI}:
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const D}UgC\u
Right & rt) const mP?}h
{ )}Cf6m}
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;Zn&Nc7
} :)FNhx3
下面对该代码的一些细节方面作一些解释
:z6?
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。 +]0hSpZ"p
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。 }9FWtXAU^1
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。 L@f&71
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。 I.`DBI#-f
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? d@zxgn7o
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: Yu9VtC1
qOa*JA`
template < class Action > 8?|W-rN
class picker : public Action `G=+qti
{ LLoV]~dvUu
public : L=P8; Gj)
picker( const Action & act) : Action(act) {} dCLNZq h6
// all the operator overloaded %/ :&L+q
} ; Ds{bYK_y
?v'CuWS
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。 _,I~1"
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: 'Zqt~5=5
&v Q5+
template < typename Right > R[TaP7n
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ]I]G3 e
{ B~,?Gbl+g
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /;xrd\du
} 0T0I<t
qLw^Qxo
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > &3)6WD?:U
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。 ,mz7!c9H^a
ZVit]3hd
template < typename T > struct picker_maker ~{N#JOY}Z
{ K7/&~;ZwT
typedef picker < constant_t < T > > result; P2U4,?_e
} ; $U(D*0+o/
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > -O?A"
{ p:ZQ*Ue
typedef picker < T > result; A5[kYD,_
} ; Y^|15ek
Bgai|l
下面总的结构就有了: OC\cN%qlw
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。 L:Faq1MG
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。 P$3!4D[
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 c;=St1eoz
至此链式操作完美实现。 Ki%)LQAg
?DnQU"_$
&v9"lR=_k
七. 问题3
0BAZWm
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。 _T=";NSa
H)y_[:[
template < typename T1, typename T2 > %O{FZgi%wA
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const TP Y&O{q
{ u{dkUG1ia
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); A.YK=_J
} b>d]= u
D hk$e
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: [~;wCW,1
/Wdrpv-%,1
template < typename T1, typename T2 > ,eL&Ner
struct result_2 Svs&?B\}{6
{ A}3E)Qo=G
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Upm#:i|"
} ; "g(q)u >
$lJ!f
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? KCqz]
这个差事就留给了holder自己。 7JY9#+?p>
Oe^9pH,1t
=YtK@+| i
template < int Order > 2Ns<lh
class holder; $0]5b{i]
template <> U<'$ \P
class holder < 1 > QqXaXx;
{ xx?0Ftuq
public : `G>|g^6%i
template < typename T > ~u?rjkSFoh
struct result_1 qc.9GC
{ }Fu2%L>
typedef T & result; t=[/L]!
} ; QEmktc1 7
template < typename T1, typename T2 > 3@<m/%
struct result_2 `2xt%kC
{ z3w;W{2Q;V
typedef T1 & result; Gr3 q
} ; DG3Mcf@5
template < typename T > n9 Jev_!A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 6O@Lx]t
{ l
5f'R
return (T & )r; cc"<H}g>`
} \`8F.oZ^)
template < typename T1, typename T2 > q"-Vh,8h
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const FE06,i\{
{ "`w*-O
return (T1 & )r1; viVn
} =
@FT$GQ
} ; 9YBlMf`KEf
T{BGg
template <> 0+A#k7c6p
class holder < 2 > ZV07;`I
{ za8+=?
public : u#->?
template < typename T > EE qlsH
struct result_1 0BOL0<Wq
{ 6-nf+!#G
typedef T & result; frWY8&W^H
} ; $% W.=a'5
template < typename T1, typename T2 > uLN.b339
struct result_2 LC0-O1
{ |J^I8gx+
typedef T2 & result; hiWs:Yq
} ; ZjnWbnW
template < typename T > Z,F1n/7
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ^brh\M,:@
{ oK&G
return (T & )r; pFwe&_u]
} AUl[h&s
template < typename T1, typename T2 > Q2!RFtXV
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Q%t
_Epe
{ wJ7Fnj>u%
return (T2 & )r2; vLCm,Bb2L
} 73!])!SVI
} ; <*p
H#bu3*'
FWS!b!#,N
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 BkDq9>
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: CTc#*LJx>j
首先 assignment::operator(int, int)被调用: z}p*";)A
}5?|iUH|
return l(i, j) = r(i, j); #;'*W$Wk2
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ck8Qs08
ulk yP
return ( int & )i; 0LP>3"Sm
return ( int & )j; L_>LxF43
最后执行i = j; McvLU+
可见,参数被正确的选择了。 iyMoLZ5
;i 3C
1oG'm
?j}
Fxr
oMN
Qv%U
八. 中期总结 e#?rK=C?9
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: X-%91z:o58
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 o^BX:\}
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 G<t_=j/r
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor z'EphL7r
V> Nw2u!!
AE%zqvp>
' PmBNT
(HeIO
:NWrbfz
九. 简化 83{v_M
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。 @OC*:?!4
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 r / L
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: l{_1`rC'
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 &|Vzo@D(!
+-*/&|^等 }z2K"eGt
2. 返回引用。 E^m2:J]G
=,各种复合赋值等 (DTkK5/%
3. 返回固定类型。 IPnx5#eB
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Ly6) ,[q~
4. 原样返回。 4rNuAK`2
operator, [xPO'@Y
5. 返回解引用的类型。 mzTM&@
operator*(单目) 0a)LZp|
6. 返回地址。 :?7^STc
operator&(单目) rf$eg
7. 下表访问返回类型。 bw[K^/
operator[] Qexv_:C
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 cA+O]",}
operator<<和operator>> }4xz, oN
}h\]0'S~J~
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。 4&E&{<;
例如针对第一条,我们实现一个policy类: p,#**g:
e&=T`
template < typename Left > g0RfvR
struct value_return Il<ezD{
{ \J{%xW>
template < typename T > =]sM,E,n
struct result_1 4)d#dy::\
{ /909ED+)>9
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 74%Uojl"
} ; #^<Rx{
eHI7= [h
template < typename T1, typename T2 > Jgf=yri
struct result_2 gz"I=9
{ )Ft>X9$
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; d##'0yg
} ; UmA'aq
} ; C)0JcM
U~{sJwB
J(x42Q}*S
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 7Ust7%
Q
1e hW
下面我们来剥离functor中的operator() OYNPZRu
首先operator里面的代码全是下面的形式: 0p ZX _L'
o2NU~Ub
return l(t) op r(t) E3o J;E
return l(t1, t2) op r(t1, t2) /'>#1J|TlK
return op l(t) 4w0Y(y
return op l(t1, t2) $ ~2qEe.h
return l(t) op ai(J%"D"
return l(t1, t2) op /s^O M`5
return l(t)[r(t)] {t<U:*n2
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] -<WQ>mrB&
POc-`]6<F
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: Q:!.YSB
单目: return f(l(t), r(t)); M}tr*L
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); CZ_ (IT7
双目: return f(l(t)); O[#pB.
4
return f(l(t1, t2)); MzO4Yv"A
下面就是f的实现,以operator/为例 BF>3CW7
3 ~^ }R
struct meta_divide &5F@u
IA
{ 7\1bq&a<
template < typename T1, typename T2 > R} aHo0r
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) <