一. 什么是Lambda Lw=.LN
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 2Yx6.e<
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, Fj9/@pe1
@<]xbWhuw
S9Fg0E+J
w;.'>ORC
class filler ]MkZ1~f7
{ '3>kD H+
public : 1#AdEd[
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} v>3)^l:=Y*
} ; ]JX0:'x^
s,TKC67.%+
5/Ng!bW
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: W{Cc wq
QdKxuG
k]<
%/dYSC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); P'#m1ntxQ
fGiN`j}j
y2V9!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 $]CZ]EWts
Y&xmy|O#
ce{GpmW
/&=E=S6
二. 战前分析 h<.G^c)
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。 6Q,-ZM=Z_p
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 #Zpp*S55
8<$6ufvOv
j380=?7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); SGW2'
/* --------------------------------------------- */ {&G7 Xa
vector < int *> vp( 10 ); w,NK]<dU@
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %T*lcg
/* --------------------------------------------- */ T0W B
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); .~V0>r~my
/* --------------------------------------------- */ 05:`(vl
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); >9W ;u`
/* --------------------------------------------- */ ~V?O%1)k?\
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); &I.UEF2,
/* --------------------------------------------- */ GzK{.xf
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ;$@7iL
n.C.th
>Y1
59";{"sw
krZ J"`
看了之后,我们可以思考一些问题: 58*s\*V`\
1._1, _2是什么? wJJ4F$"b
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 XOO!jnQu
2._1 = 1是在做什么? H,qIHQW#
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ]#N2:ych
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 n6;jIf|
nBL7LocvR
X'Q$v~/
三. 动工 W-%oj.BMA
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \pZ,gF;y
@D8c-`LC"*
Y((s<]7
cj-P&D[Ny[
template < typename T > <CJua1l\
class assignment I!.o&dk
{ `h12
T value; <3z]d?u
public : oD_je~b)
assignment( const T & v) : value(v) {} Z{`;Ys:zk
template < typename T2 > bp2l%A;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } R-J\c+C>W
} ; Nh~ Hh(
_n_lO8mK
&^4\Rx_I
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 |c,":R
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Q,Vv
J&S$F:HM
zcD&xoL\H
DDn@M|*$
class holder KDgJ~T
{ Ae:(_UJz
public : ?ltTJ(Po
template < typename T > = ^:TW%O
assignment < T > operator = ( const T & t) const q=ZLSBZ
{ 2}>jq8Y47
return assignment < T > (t); `GS!$9j
} p!>FPS
} ; V0z.w:-
!HL7a]PB
*W,"UL6U8y
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 8AT;9wZqt
cjsQm6
static holder _1; jZS6f*$
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ! lgsV..R
FGu:8`c9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ej>8$^y
而不用手动写一个函数对象。 $[5ihV$u
Q.#@xaX'{`
{NXc<0a(
"DM$FRI0
四. 问题分析 9r@r\-
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 G`PSb<h\oc
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 G+
PBV%gE[
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 1w'iD
X
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 OEy'8O$
下面我们可以对这几个问题进行分析。 zg2A$Fd[j
vE7 L> 7
五. 问题1:一致性 E{sTxOI$
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?| o0&jel1a
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Q*Per;%J
?dlQE,hB$
struct holder Bu">)AnN
{ qyGVyi3
// "AP''XNi
template < typename T > ~ z*
T & operator ()( const T & r) const {co(w
7
{ /=>z|?z3
return (T & )r; +Tc<|-qQn
} UOSa`TZbZ
} ; kc^Q?-?
lidzs<W-fW
这样的话assignment也必须相应改动: d$8rzd
z"bgtlfb8
template < typename Left, typename Right > U0t/(Jyg
class assignment , fFB.q"
{ /vS!9f${
Left l; 9"1 0:\U
Right r; Q\&FuU
public : Y v }G"-=
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} >t7xa]G
template < typename T2 > ]24aK_Uu
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } <iunDL0
} ; +'Pl?QyH
SLpB$puS
同时,holder的operator=也需要改动: YlwCl4hq
6|wiZw
template < typename T > EWNh:<F?
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const eWS[|'dl
{ zvYkWaa_Qz
return assignment < holder, T > ( * this , t); z kQV$n{
} E ;65k Z
@B
%m,Mx
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。 7SLJLn3d
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 \~d|MP}"F:
&1YqPk
return l(rhs) = r; D% }?l
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。 uFOxb}a9v
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: KlGPuGL
=`[08
template < typename Tp > QCQku\GLV
class constant_t vBx*bZ
{ -v.\CtpHv
const Tp t; [H)NkR;I
public : (g
xCP3
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 0ohpJh61Q
template < typename T > [>QV^2'Z
const Tp & operator ()( const T & r) const j9n3
{ ojU:RRr4l$
return t; _"
W<>
} p0~=
} ; CwZ+Pn0
LHU^%;L
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ,IoPK!5xy
下面就可以修改holder的operator=了 RX8$&z
EKoAIC*?p
template < typename T > dOh'9kk3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const pV{MW#e
{ 98eiYh
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); l:mC'aR
} h~haA8i?{
["|AD,$%
同时也要修改assignment的operator() 6*cG>I.Z
..6 : _{wg
template < typename T2 > s `fIeP
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2*Hw6@Jj
现在代码看起来就很一致了。 BV,P;T0"D
}ozlED`E
六. 问题2:链式操作 ~L(=-B`Ow
现在让我们来看看如何处理链式操作。 u}Vc2a,WV
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。 uH[d%y/
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。 yE[ -@3v
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。 Z_Jprp{3h
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ^_ <jg0V
yzr>]"o
template < typename T > T.O^40y
struct result_1 .4Ob?ZS(
{ f>\OT
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Fq/?0B8
} ; \~!9T5/*
YY-{&+,
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: Jv1igA21_h
d2lOx|jt
template < typename T > %Z~,F?
struct ref v(D{_
{ "]J4 BZD
typedef T & reference; &os9K)
} ; KtzoL#CT
template < typename T > ]:`q/iS&
struct ref < T &> p48M7OV
{ jv7-i'I@
typedef T & reference; Qj: D=j8
} ; JwWW w1
L4`bGZl55
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 2%4dA$H#4w
>m='#x0>Y
template < typename T > ^2E\{$J
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const +7n;Bsk
_
{ %7=B?c|
return l(t) = r(t); >Ia{ZbQV
} 'Lu7cb^
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。 Nq'Cuwsp
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 z=1 J{]
@Ee{ GH^-
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 +F3@-A
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: \Z9+U:n
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 q[p+OpA
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 B:S/
?v
最后的布局是: {<0=y#@u
Add (sLFJ
a6e
/ \ .),ql_sXr
Divide 5 n'R9SnW
/ \ =Q|_v}
_1 3 rFJ(t7\9h
似乎一切都解决了?不。 2mUq$kws
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 -o c@$*t
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。 *olV Y/'O
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: iu!j#VO
y ,][
template < typename Right > }T=0]u4,
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const q\wT[W31@
Right & rt) const BeP]M1\?>
{ ,)%al76E
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :m*r(i3
} P,5gaT)
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 )>,;
GVu"
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。 4oW6&1
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。 df@I C@`pB
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。 BR\3ij
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。 {pJ{UJKv?
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? Hq9yu*!u
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: dXr=&@1
4+&4
template < class Action > }^r=(
class picker : public Action H9nVtS{x
{ s}Y_og_c
public : JU^{!u
picker( const Action & act) : Action(act) {} i'Vrx(y3
// all the operator overloaded q{D_p[q
} ; Brw-"tmx
r|!w,>.
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。 %qG nvQ
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: .xJW=G{/
Y r3h=XY
template < typename Right > -*q:B[d
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const xj6ht/qq
{ cp@(y$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Vgy}0pCl
} E.*TJ
&8VB{S>r
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > (`S32,=TS
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。 [k~V77w
14
&)F8i#M
template < typename T > struct picker_maker Y:|_M3&'o
{ {2u#Q7]|
typedef picker < constant_t < T > > result; kMD:~V
} ; 9qyA{
|3
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > aH@Ux?-}
{ s^5KFK1
typedef picker < T > result; Y{c_5YYf
} ; /8V#6d_
6=ukR=]v
下面总的结构就有了: A2Je*Gz
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。 02g!mJW>}y
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。 )b<-=VR
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?.E ixGzI^
至此链式操作完美实现。 _TF\y@hF*D
;dXQB>Za
c\2+f7o@
七. 问题3 H.\gLIr
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。 |e+8Xz1>
_Wcr'*7
template < typename T1, typename T2 > }e}J6[wP
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 5nq0#0Oc
{ bs-O3w
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); B> kx$_~
} ex_Zw+n
J*)Vpk
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: nC Mv&{~
CD$0Z
template < typename T1, typename T2 > *=]hc@
struct result_2 jJ^p
?
{ |\g =ua+h
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; S+c)
} ;
D{hsa
25xpq^Zw
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? KA )9&6
这个差事就留给了holder自己。 sZ`C
"1cX
<~:Lp:6 J
r:h\{DVf
template < int Order > .~#<>
class holder; /jJi`'{U
template <> H,r> @Y
class holder < 1 > YGp8./ma<I
{ r^3QDoy
public : 0fgt2gA33
template < typename T > \x JGR!
struct result_1 Ap}^6_YXd
{ 3QL I|VpO
typedef T & result; 0(A(Vb5J.T
} ; plL##?<D<
template < typename T1, typename T2 > I[|5 DQ
struct result_2 ?-^eI!
{ ~Yrtz
typedef T1 & result; GX4HW \>a
} ; 7CfHL;+m<4
template < typename T > V=!tZ[4z$h
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 8l(_{Y5(-
{ "S6'<~s
return (T & )r; y8T%g(
} s&vREx(
template < typename T1, typename T2 > ve|:z
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const wOH$S=Ba5,
{ zyNg?_SM
return (T1 & )r1; ><odBM-
} YGVj$\
} ; VEAf,{)Q
eNN)2-96
template <> ?+S jt
class holder < 2 > D[)
Z$+D4f
{ 2BA'Zu`
public : 9F8"(
template < typename T > f?O?2g
struct result_1 Y`@:L'j
{ <u\j4<p
typedef T & result; jOs&E^">&B
} ; B%95M|
template < typename T1, typename T2 > `9;:mR $
struct result_2 ^6=y4t=%F
{ H.sHXuu
typedef T2 & result; T_}9b
} ; wfH#E2+pk
template < typename T > hr9[$4'H
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const @y,pfWh`
{ 3DH}
YAUU
return (T & )r; 7MXi_V;p<
} ZTV|rzE
template < typename T1, typename T2 > d+ P<nI/|
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Hk'D@(hS
{ g9 .b6}w!
return (T2 & )r2; gkDyWZG B
} k&-SB -
} ; [R$iX
@.Pd3CB0
s!*m^zx
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> >。 m22FOjk\
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: p8CDFLuV
首先 assignment::operator(int, int)被调用: H$2<N@'4z
- inZX`afA
return l(i, j) = r(i, j); Wr.G9zq.+
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) tz#Fy?pe
6?an._ C
return ( int & )i; .(T*mk*>
return ( int & )j; #l kv&.)x
最后执行i = j; IbFS8 *a\
可见,参数被正确的选择了。 b}DxD1*nsI
SGi(Zkc
-%8*>%
^m^4LDt
}GV5':W@WG
八. 中期总结 kk6Af\NZ
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 15NeC7GAh
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 rr/0pa$
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 iYwzdW1
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor <Sm@ !yx
F Xbf7G)H
F@</Ev
.EJo9s'
V\U,PNkZQ
7noxUGmFw
九. 简化 X?PcEAi;w
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。 +6dq+8msF
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 y8jwfO3
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: >K<n~;ON|
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 luNEgCq
+-*/&|^等 kzq3-NTV
2. 返回引用。 Yyl(<,Yi
=,各种复合赋值等 x+niY;Z E
3. 返回固定类型。 y7a84)j3
各种逻辑/比较操作符(返回bool) HV_5
+
4. 原样返回。 QahM)Gb
operator, [T|_J$
;
5. 返回解引用的类型。 RM/q\100
operator*(单目) AUZ^XiK
6. 返回地址。 ~.-o*
operator&(单目) @)"= b!q=
7. 下表访问返回类型。 vwA d6Tm
operator[] 3[*E>:)qh
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ces|HPBa&6
operator<<和operator>> CKoRq|QG_
L[M`LZpJo
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。 Rd|#-7
例如针对第一条,我们实现一个policy类: KmUH([#
6|h~pH
template < typename Left > 46p%y
struct value_return &-l(nr]h]
{ A.`)
0dV
template < typename T > re\pE2&B
struct result_1 ZdcG6IG+
{ "n,?)
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; y2nwDw(xF
} ; Pe-1o#7~W
ElBpF8xJ|o
template < typename T1, typename T2 > QQ1|]/)
struct result_2 CF|4, K)
{ &x