一. 什么是Lambda wUd6xR
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 3jH8pO^
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, 09_L^'`
|'C{nTX
6?"k&O
Q t!X<.
class filler ev bqBb21b
{ wEMh !jAbv
public : $#bgt
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} #U46Au
} ; LuLnmnmB
g?(h{r`
OZHQnvZ
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: NlBnV
9c/&+j
\xQ10\u
~y#jq,i/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); {5ujKQOcR
5<?O S &B
ciq'fy
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 G=[=[o\
ql|ksios
b
r"47i
!,f#oCL
二. 战前分析 rUb`_ W@
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 tkN5|95
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 {}vB#!
r9x.c7=O
w(sD}YA)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L5E|1T
/* --------------------------------------------- */ 1T{A(<:o$
vector < int *> vp( 10 ); LI>tN R~
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ~S\Ee 2e>
/* --------------------------------------------- */ *?k~n9n5U
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); qqm7p
,j
/* --------------------------------------------- */ mOLP77(o
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Cst:5m0!
/* --------------------------------------------- */ t+R8{9L-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); -Qs4s
/* --------------------------------------------- */ RJ#xq#l
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1);
\= M*x
N8<Wm>GLX~
+/g/+B_b
E1atXx
看了之后,我们可以思考一些问题: 9~6FWBt
1._1, _2是什么? ^Fy{Q*p`(
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。 L*A9a
2._1 = 1是在做什么? 1^bI9 /
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。 8s,B,s.
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。 $)L=MEdx
g;bfi{8s_
H.8f-c-4we
三. 动工 \6UK:'5{
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: l8"
R7/"ye:7J
f0 ;Fokt(
n4albG4
template < typename T > @KM !g,f
class assignment {b|:q>Be8
{ MEOVw[hO
T value; xMk0Xf'_
public : <X7x
assignment( const T & v) : value(v) {} 6cCC+*V{
template < typename T2 > 6K/j,e>L
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } _uvRC+~R
} ; [LwmzmV+F
DE GEr-
,S|v>i,@
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 |Rh%wJ
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ] ~;x$Z)
`@8QQB
e 1W9Z $m
F_m[EB
class holder ])dq4\Bw
{ 93zoJiLRf
public : =WaZy>n}7
template < typename T > ]fN\LY6p
assignment < T > operator = ( const T & t) const
5jj<sj!S
{ PD@]2lY(
return assignment < T > (t); ,W"[q ~
} (T1)7%Xs
} ; <&n\)R4C1
,a N8`M
gNon*\a,-B
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: _Y7uM6HL\
p[E}:kak_-
static holder _1; -Y#YwBy;M
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 [4V{~`sF
[25[c><:w"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); }L.xt88
而不用手动写一个函数对象。 HPGMR4=ANS
o%ZtE
7J~usF>A
:iWW2fY
四. 问题分析 PgNg1
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。 Ae&470
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。 PZVh)6f"c
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 w1Z9@*C!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 OT6uAm+\7_
下面我们可以对这几个问题进行分析。 +{Qk9Z
BDW%cs
五. 问题1:一致性 I]HrtI
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?| \2q!2XWgK
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ^Ge3"^x1
-)biSU,
struct holder N5>ioJj
{ by 'P}
// XBd/,:q
template < typename T > w8!S;~xKI
T & operator ()( const T & r) const `|Aj3a3sND
{ d5/x2!mH8
return (T & )r; dQD YN_
} _K(w&Kr
} ; |7$Fr[2d
)<_e{_h
这样的话assignment也必须相应改动: '&?OhSeN
\'z&7;px
template < typename Left, typename Right > *v+xKy#M
class assignment lTl-<E;
{ "MH_hzbBF
Left l; HAq
Right r; E$B7E@(U
public : q~*9A-MH
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} T%{qwZc+mJ
template < typename T2 > #bxU I{*J
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ElJM.
a
} ; ~p9nAACU
g_<^kg"
同时,holder的operator=也需要改动: vM_UF{a$=
LxWnPi ^
template < typename T > eko$c,&jY
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const -6wjc rTD
{ V6opV&
return assignment < holder, T > ( * this , t); nVkPYeeT
} J2rw4L
3v~804kWB
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。 JmHEYPt0
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 +n]z'pijb
nE_g^
return l(rhs) = r; Ce:2Tw
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。 U^ bF}4m
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: %Vf3r9
z
@'go?E)f
template < typename Tp > 99GzhX_
class constant_t zcF`Z{&+
{ 6[r-8_
const Tp t; x+? P/Ckg
public : Q-scL>IkCb
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} $
{Y?jJ
template < typename T > &NvvaqJ
const Tp & operator ()( const T & r) const dMo456L
{ A .]o&S}
return t; CC?L~/gPN
} {s ]yP_
} ; ${(c`X
* z,] mi%
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 rA<>k/a
下面就可以修改holder的operator=了 ~
ZkSYW<
PtfxF]%H
template < typename T > [^oTC;
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const xqP DL9\
{ r&$r=f<
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); J.nJ@?O+
} *{_WM}G
o75Hit
同时也要修改assignment的operator() 0?x9.]
x~!gGfP
template < typename T2 > nT(Lh/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } `7.(dn>WL0
现在代码看起来就很一致了。 _J|cJ %F>%
{KH!PAh
六. 问题2:链式操作 KwEyMR!
现在让我们来看看如何处理链式操作。 yeI((2L@E2
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。 Qn=#KS8=J
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。 jv8diQ.
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。 <xb =.xe
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct !CJh6X!
%E1_)^^
template < typename T > \FE
struct result_1 $ mH'%YDIl
{ FLWQY,
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; w.AF7.X`1
} ; 6p=OM=R
rsr}%J
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: W~EDLL Z
|j?iD
template < typename T > M/!5r
struct ref uA`EJ )d
{ G54,`uz2
typedef T & reference; n@`D:;?{
} ; #2dd`F8
template < typename T > UW!*=?h
struct ref < T &> o@o0V
{ 8`I/\8;H'p
typedef T & reference; zO@7V>2
} ; .ty^ k@J|]
|sG@Ku7~4
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Bu%TTbnz_G
)/32sz]~
template < typename T > dfU z{
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const =_\+6\_
{ h;s~I/e(
return l(t) = r(t); *x0nAo_n
} s":\>
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。 5eP0W#
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 [/P}1
c[)U
~8rVf+bg3
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 VG)Y$S8.>
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: t<UtSkE1
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 !)!<.x
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 <KBzZ
!n5
最后的布局是: aDDs"DXx
Add <@+>A$~0
/ \ }3^b1D>2O
Divide 5 G1:*F8q
/ \ {[
E7Cf
_1 3 ;!k{{Xndd
似乎一切都解决了?不。 -Hx._I$l
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。 +Jf45[D
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。 Oo)MxYPU
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: -GqMis}c
@i" ^b
template < typename Right > t;>"V.F<1
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 4E"OD+
Right & rt) const yf lt2 R
{ bwr}Ge
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 7Ud
} Qz[4M` M
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 1vy*u
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。 TgDx3U[
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。 /:<.Cn>-
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。 h2Kx
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。 RyAss0Sm^
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? K6 {0`'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: y4^w8'%MC
| e&v;48
template < class Action > =Wgz\uGJ
class picker : public Action 31FQ=(K
{ #iZ%CY\
public : ^Z6N&s#6
picker( const Action & act) : Action(act) {} $<]G#&F
// all the operator overloaded C>A*L4c]F
} ; JQ[~N-
@P$_2IU"
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。 f^EDiG>b`
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: /d1
B-I
65@,FDg*i
template < typename Right > kS\A_"bc
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const KRL9dD,&
{ SK>*tKY
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y[\ZN
} {I]X-+D|_
#]vy`rv
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > !)nA4l=S#
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。 :(^,WOf
H&yK{0H
template < typename T > struct picker_maker ec$kcD!
{
C0Oe$&
_
typedef picker < constant_t < T > > result; h_SDW %($
} ; D:r+3w:l]
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 6)@Y 41H]C
{ &+K:pU?[$
typedef picker < T > result; ?6m6 4{M
} ; 0/vmj,&B(
7,pn0,HI
下面总的结构就有了: P
~sX S
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。 $@wTc
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 nc0!ag
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 C2Pw;iK_t
至此链式操作完美实现。 J7p'_\
0Ud.u
2#^@awJ ?
七. 问题3 m\XgvpvrP
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ['G@`e*\
hxedQvW
template < typename T1, typename T2 > 9q4%s?)j
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const O6P{+xj$
{ QoU0>p+2
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); NI1jJfH|l
} 9"jhS0M
Kt 0
3F$
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: gbl`_t/
8}Qmhm`_j=
template < typename T1, typename T2 > nWyn}+C-
struct result_2 ]P5|V4FXo
{ C5W}
o:jE
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; t:SME'~.P
} ; &'0|U{|
d/m.VnW
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? IwR/4LYI
这个差事就留给了holder自己。 #y?iUv
'JjW5
Q&X#(3&'
template < int Order > 1&wI*4
class holder; w7;,+Jq
template <> .o&Vu,/H
class holder < 1 > ]:6M!+?(
{ d=6FL" .o
public : a%fMf[Fu
template < typename T > j3J\%7^i
struct result_1 ;;3oWsil}
{ @_+B'<2
typedef T & result; '/ >7pB
} ; Ag6^>xb^
template < typename T1, typename T2 > 5V{>
82
struct result_2 $z"1&y)
{ &F!Ct(c99
typedef T1 & result; $N[R99*x8
} ; (9_O||ee
template < typename T > ^1b/Y8&8A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const JxV0y
{ "s6\l~+9l
return (T & )r; &rj)Oh2
} Zdm7As]
template < typename T1, typename T2 > y9#r
SA*
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const }3Mnq?.-
{ j\uh]8N3<
return (T1 & )r1; 1dl@2CVS
} \d,wcL
} ; [s"e?Qee
9?IvSv}z
template <> %:DH_0
class holder < 2 > S%sD#0l
{ |P>Yf0
public : n@`:"j%s_
template < typename T > OX
r%b
struct result_1 *?-,=%,z/
{ s_p\
bl.
typedef T & result; FVgE^_
} ; /3!c
;(
template < typename T1, typename T2 > DC-tBbQkk
struct result_2
'Pm.b}p<
{ CBVL/pxy
typedef T2 & result; k|SywATr
} ; ~kJ}Z<e
template < typename T > Q ,`:RF3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Y]33:c_;Mo
{ ^qro0]"LD
return (T & )r; L2j7w006
} >p[skN
template < typename T1, typename T2 > lO>9Q]S<
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const -fA1_ ?7S
{ DMc H, _(
return (T2 & )r2; +IM:jrT(
} ],3#[n[ m
} ; C;EC4n+s
$ncJc
ptlcG9d-
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 s[}4Q|s%
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: .EXe3!J)!
首先 assignment::operator(int, int)被调用: :|V`QM
T[<deQ
return l(i, j) = r(i, j); PE\.J U
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ,ezC}V0M
RM(MCle}
return ( int & )i; \a}_=O
return ( int & )j; U=G}@Y
最后执行i = j; ?C6DK{S(
可见,参数被正确的选择了。 ^Fe%1Lnt
b)e';M
e0nr dM[i
)^)j=xs
6
#vc"5@M
八. 中期总结 !go$J]T
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: TB@0j
;g
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 {+SshT>J
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 b;K];o-/f
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor keMfK]9
yt@;yd:OEk
6~rO(
\@KK X
XP|qY1
H/I1 n\
九. 简化 yltzf
#%
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。 |_A DG
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 $OAak
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: /KCJ)0UU
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 fEMz%CwH
+-*/&|^等 (=/%_jj
2. 返回引用。 }R\9ybv
=,各种复合赋值等 l?rT_uO 4
3. 返回固定类型。 dZ"B6L!^(
各种逻辑/比较操作符(返回bool) M<
1rQW'
4. 原样返回。 !idQ-&
operator, (3[Lz+W.u
5. 返回解引用的类型。 8e:\T.)M
operator*(单目) _Dv<
6. 返回地址。 dm+}nQI\
operator&(单目) @#?w>38y
7. 下表访问返回类型。 J: T
operator[] |
WN9&
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 *}n)KK7aT
operator<<和operator>> @S>$y5if
n1mqe*Mvs/
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。 ?;c&5'7ct
例如针对第一条,我们实现一个policy类: <8SRt-Cr
KVC$o+<'`%
template < typename Left > |rhCQ"H
struct value_return DClV&\i=o
{ @ a$HJ:
template < typename T > TSp;VrOP
struct result_1 ]\8{z"
{ j&qJK,~
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; `Qg#`
} ; `O'@TrI
`n{yls7.
template < typename T1, typename T2 > G=Qslrtg
struct result_2 i]L4kh5
{ 1I1Z),
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; <.l$jW]
} ; TX%W-J_
} ; >@T(^=Q
uQYBq)p|
[|NgrU_.
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait +=qazE<:0
"\:ZH[j
下面我们来剥离functor中的operator() Y unY'xY
首先operator里面的代码全是下面的形式: ?#cX_
Bv)4YU
return l(t) op r(t) w2mL L?P
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 7H=^~J
return op l(t) FX6*`
return op l(t1, t2) =q4QBAW
return l(t) op vA(')"DDT
return l(t1, t2) op kV mJG#
return l(t)[r(t)] 1q&gTv