一. 什么是Lambda R!8 qkG
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 /)Pf ]
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, ]a}K%D)H
d?uN6JH9
#o]/&T=N=
mrgieb%
class filler :QV-!
{ np#RBy
public : Qg\{d)X[N
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Jbrjt/OG#I
} ; Av#_cL
6ofi8(n[
W".: 1ov#B
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: -t:~d:
mjwh40x.o
6!e I=h2P
2!u4nxZ.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); QX]~|?q
:Rq>a@Rp
k_^|%xJ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ^s_BY+#
VX!UT=;
NR*s7>
ZT\=:X*e
二. 战前分析 {b<;?Du s^
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。 jC;^2e
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 EPE9HvN
[-*1M4D9
?'@tx4#v\2
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); U0PQ[Y#\
/* --------------------------------------------- */ VKjDK$
vector < int *> vp( 10 ); 91
] "D;NN
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); V@QWJZ"
/* --------------------------------------------- */ xTy[X"sJ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); _.ny<r:g
/* --------------------------------------------- */ xzqgem`[\
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); \,b@^W6e>
/* --------------------------------------------- */ @.PVUP
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); lBbUA)z6
/* --------------------------------------------- */ jI-\~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ]Ywj@-*q
SP,#KyWP0)
P2q'P&
`pHlGbrW
看了之后,我们可以思考一些问题: nMniHB'
1._1, _2是什么? uEK9
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。 &rcC7v K9
2._1 = 1是在做什么? HR/"Nwr
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。 b R6g^Yf
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。 3kl<~O|Fs
7(q EHZEr
z2Pnni7Ys
三. 动工 ^sWsP` DV
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: _x.<Zc\x
@435K'!
zjzW;bo( d
"I)*W8wTn
template < typename T > aetK<9L$
class assignment ]/o0p
{ Slk__eC
T value; )CYm/dk
public : `W3;LTPEb
assignment( const T & v) : value(v) {} b
V)mO@N~w
template < typename T2 > Zd~l_V f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } n^svRM]eQ
} ; zfAkWSY
k63]Qf=5?N
6vx0F?>_
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 E@/yg(?d=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 4`x.d
m.F \Mn
zL1*w@6
'|zkRdB*Lq
class holder z!z+E%H^
{ Fq]ht*
public : _K4Igq
template < typename T > ` )9nBZ
assignment < T > operator = ( const T & t) const hdi/ k!9[\
{ i\2d1Z
return assignment < T > (t); H nKO
} uxGY/Zf
} ; =~)J:x\F
X+'z@xpj
GI&XL'K&
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: =@98Gl9!
E>/kNl
static holder _1; .L,xqd[zC
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 N36<EHq
7J
0=HbH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @Axwj
而不用手动写一个函数对象。 I:6N?lD4}0
mkA1Sh{hX>
RXMzwk
u7rA8u|TO
四. 问题分析 eXHk6[%[
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。 +=XDNSw
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。 (J c} K
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ZT
UaF4k j
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 MwoU>+XB
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ;.=ZwM]C
O!0YlIvWv
五. 问题1:一致性 3?Ml]=u
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?| =hs
!t|(*
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 mSn>
24ojjxz+
struct holder yfBVy8Sm
{ \DP*?D_}?
// )c'5M]V
template < typename T > Ca: jN0
T & operator ()( const T & r) const Tgpf0(
{ j,q8n`@
return (T & )r; V3<baxdE
} 9<0p1W O
} ; .hYrE5\-
`+IB;G1
这样的话assignment也必须相应改动: 6g/ <FM
2>l
=oXq
template < typename Left, typename Right > ~$#"'Tl4J
class assignment (dOC ^i
{
1_D|;/aI
Left l; QZcdfJck=+
Right r; ]9xuLJ)
public : '@Zau\xC
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} B8+J0jdg6%
template < typename T2 > q Ee1OB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 8.-0_C*U;
} ; w\
hl2JTy
pYtG%<
同时,holder的operator=也需要改动: }b9"&io
(x}>tm
template < typename T > L* k[Vc
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const zEG6T *
{ ]0`*gKA
return assignment < holder, T > ( * this , t); R{s&6
} "62vwWrwO
(=v :@\r
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 `
u# '
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 p0 @,-
`[hc{ynO|
return l(rhs) = r; X^!n'$^u
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。 {1RI!#[\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ff.(X!
T#;W5<"
template < typename Tp > #) eI]
class constant_t 8]@)0q {r
{ [>5<&[A
const Tp t; #;9I3,@/Y
public : ?2hS<qXX
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} E kb9=/
template < typename T > ~H[
const Tp & operator ()( const T & r) const _ZM$&6EC
{ .Dn.|A
return t; pmm?Fq!s=
} U} EaV<
} ; d~bZOy
6#Ag^A
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 (@t O1g
下面就可以修改holder的operator=了 "/ N ?$
Dj
Z;LE>
template < typename T > w! J|KM
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ET]PF ,`
{ 6OBe^/ZRt
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); d~i WV6Va
} ?gknJ:
&`#k1t'
同时也要修改assignment的operator() VrV
)qfG
-^ )0c
template < typename T2 > K gN=b
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } RrFq"
现在代码看起来就很一致了。 Rne#z2Ok
8v$2*$
六. 问题2:链式操作 XJx$HM&0M
现在让我们来看看如何处理链式操作。 $uw[X
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 )e#KL$B)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。 =fJDFg
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。 !Zowe*`
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct (mO{W
C$"N)6%q
template < typename T > Y(aEp_kV
struct result_1 1J`<'{*
{ #6t 4 vJ1
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; "r!>p\.0O
} ; #w%d
)7$1Da|.
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: p`/"e<TP
!n;0%"(FH
template < typename T > t)#8r,9c
struct ref Gv
';
{ xC3h m
typedef T & reference; w %4SNR
} ; p>4tPI}bf
template < typename T > Rm@#GP`
struct ref < T &> *QKxrg
{ ] !7%)
typedef T & reference; 4Zz%vY
} ; 06ndW9>wD)
hv)>HU&
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: w}8
,ICL
[/h3HyZ.
template < typename T > 9v\x&h
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const vY 0EffZ
{ i D6f/|g
return l(t) = r(t); -L4fp
}
Nk.m$
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。 $|kq{@<
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ^Rr!YnEN
<x QvS^|[
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 zKh^BwhO|X
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: i-.]onR
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 myq@X(K
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 s$%t*T2J>
最后的布局是: Ro}7ERA
Add cTC -cgp
/ \ +8<|P&fH
Divide 5 )b%t4~7
/ \ Lud[.>i
_1 3 f ZEyXb
似乎一切都解决了?不。 _xKIp>A
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。 7+N0$0w%r
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 lu_kir~
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: gxKL
yZO!
:Dt]sE_d
template < typename Right > [b2KBww\
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Z\lJE>1
Right & rt) const ,6J{-Iu
{ CP]nk0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -_*ux!
} 7
KuUV!\h`
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ~FP4JM,y6
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Kw%to9eh)
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 u%t/W0xi
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 .O yzM
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 c-GS:'J{
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ABx< Ep6
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: lfJvN
c
-sc*.&
template < class Action > 8+*
1s7{
class picker : public Action 1bz%O2U-(
{ ?\Bm>p%+
public : p*NKM}
]I
picker( const Action & act) : Action(act) {} c-`'`L^J
// all the operator overloaded }1xD*[W
} ; 0~a9gBG
009[`Z
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 B*OEG*t
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ?&`PN<~2z
&GfDo4$
template < typename Right > N9dx^+\
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const `{oFdvL~)
{ 5cUz^ >
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); &Z3u(Eb
} =x
xN3Ay
MdC}!&W
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `i `F$ ;
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。 .OM^@V~T
op2<~v0?
template < typename T > struct picker_maker >;K!yI?0
{ "W b>y*S
typedef picker < constant_t < T > > result; Q4Zw<IZv5
} ; M?S&@\}c
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > im-XP@<
{ Z[ 53cVT^
typedef picker < T > result; LJgGX,Kp
} ; v:IpZ;^
gLss2i.r
下面总的结构就有了: <"hq}B
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。 )KdEl9 o
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。 al{}_1XoU
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?3_^SRW&a
至此链式操作完美实现。 RM3"8J
uFUVcWt
!'z"V_x~
七. 问题3 6M#}&Gv
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。 l!*!)qCB(S
:
GdLr
template < typename T1, typename T2 > 9Ro7xSeD
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 9
df GV!Z
{ gq7l>vT.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ;u?L>(b
} A4tb>OM
(|2:^T+
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: oWLv-{08
^Q#g-"b
template < typename T1, typename T2 > MqAN~<l [
struct result_2 'PvOOhm,
{ Mp3nR5@d$
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; a 7>^^?|
} ; Wx` $hvdq
Ln$= 8x^T
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? grxlGS~Q
这个差事就留给了holder自己。 sTu]C +A
-NPX;e$<
="('
#o
template < int Order >
Pb}Iiq=
class holder; 0K(&EpVE
template <> MP|$+yuR~
class holder < 1 > pf`vH`r
{ XS(Q)\"
public : .)c+gyaQ
template < typename T > I]-"Tw
struct result_1 l+#uQo6cqQ
{ ?~3Pydrb#
typedef T & result; GUps\:ss
} ; 7o7*g 7
template < typename T1, typename T2 > veAdk9
struct result_2 E h+m|A
{ [{q])P;
typedef T1 & result; tiPZ.a~k
} ; P
r2WF~NuO
template < typename T > Ou] !@s
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Q"s]<MtdS
{ Y#zHw<<E
return (T & )r; RZ0+Uu/J
} XD%GNZ
template < typename T1, typename T2 > Q%QIr
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const c=f;3N
{ v=~+o[
return (T1 & )r1; `PtfPt<{
} Kut@z>SK
} ; /^9=2~b
?/fC"MJq?
template <> 5
)z'=
class holder < 2 > 6SF29[&
{ y-uSpW
public : f_z]kA
+H
template < typename T > T2_b5j3i
struct result_1 E/hO0Ox6
{ Y^QG\6q
typedef T & result; 48)D%867.;
} ; gLwrYG7@
template < typename T1, typename T2 > .1:B\R((
struct result_2 e3k58
{ r8Z.}<j
typedef T2 & result; Zg3
/,:1
} ;
^+wA,r.
template < typename T > 98*C/=^TH{
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 6lm<>#_
{ ^g=j`f[T
return (T & )r; 6eQa@[.Q
} !l$k6,WJi
template < typename T1, typename T2 > g*;zVi
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const s]pNT1,
{ m#^;V
return (T2 & )r2; c6cB
{/g
} m[nrr6 G"
} ; Prrz>
#'97mg
H`4KhdqR
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 UHS"{%
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: K$wxiGg8P
首先 assignment::operator(int, int)被调用: @CS%=tE}U
#kgLdd"
return l(i, j) = r(i, j); 0lU
pil
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) N_E)f
*-&+;|mM
return ( int & )i; L]E.TvM1*
return ( int & )j; oxug
最后执行i = j; L|p+;ex
可见,参数被正确的选择了。 EUbyQL
P1&Irwb`
O f]/tdPp
,+v>(h>q
^;[^L=}8$
八. 中期总结 |Es,$
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: N j:W6? A
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 =
O|}R
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Yv3P]6c.
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor !$p E=~1C
%zN~%mJG
^fP5@T*f
ir~4\G!
,4r 4 <
$XcuU
sG
九. 简化 G_#MXFWt
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 a&Me#H{
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 }[y_Fr0
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: l)f 2T@bHl
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 bZ}T;!U?I
+-*/&|^等 w3M F62:
2. 返回引用。 ~&D5RfK5f
=,各种复合赋值等 B.}j1Bb
3. 返回固定类型。 zd=N.
各种逻辑/比较操作符(返回bool) esd9N'.Q*
4. 原样返回。 e
3TKg
operator, \"9ysePI
5. 返回解引用的类型。 CYdYa|
operator*(单目) 6M[OEI5
6. 返回地址。 Bqw/\Lxwlf
operator&(单目) s14ot80)
7. 下表访问返回类型。 5}2148
operator[] YoSBS
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 X$=/H 6R5Z
operator<<和operator>> ]+Z,HY@;-
>6|Xvtf
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。 sW&h?jdf
例如针对第一条,我们实现一个policy类: &X,6v
B;t{IYhq{
template < typename Left > (d['f]S+&
struct value_return Wu)An
{ SqVh\Nn
template < typename T > [j?<&