一. 什么是Lambda "o&8\KSs
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 eThaH0
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, &<PIm
^viabkf C
V\;Xa0
_B0(1(M<2
class filler \wK&wRn)
{ f"ndLX:'}
public : q!ZM Wg
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} {]T?) !Vm
} ; @Vre)OrN#
]4l2jY
UTD_rQ
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: hIJtu;}zU
{%R^8
*q=T1JY
GJeG7xtJKl
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ,CfslhO{j
-]Z7^
Q/+`9z+c
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Dr3_MWJ+
<\^0!v
QqA=QTZ}
rAH!%~
二. 战前分析 bhqSqU}6~
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。 h_%q`y ,
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 tVAi0`DV
heVkCM :
'ToE Y3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); y [8;mCh
/* --------------------------------------------- */ srGOIK.
vector < int *> vp( 10 ); 0MW W(
;
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); !T{+s
T
/* --------------------------------------------- */ QyD0WC}i
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 'hpOpIsHa
/* --------------------------------------------- */ q+?<cjVg
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); VdlT+'HF
/* --------------------------------------------- */ eZ$7VWG#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); &93{>caf+
/* --------------------------------------------- */ o,6t:?Z
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); z'YWomfZm
,;$OaJFT
gP2zDI
tT}b_r7h(1
看了之后,我们可以思考一些问题: aM}9ZurI
1._1, _2是什么? +Nt4R:N
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。 w% %q/![uy
2._1 = 1是在做什么? *w+'I*QSt~
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。 +\eJxyO
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。 M3tl4%j
a:BW*Hy{\
)1s5vNVa
三. 动工 )?F&`+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: e\%,\uV}
VOEV[?>ss
K./qu^+k
yw^Pok5.
template < typename T > n1sYD6u<&
class assignment 3l{V:x!9@
{ `i.BB jx`
T value; ;b<w'A_1
public : c1#0o)q*7
assignment( const T & v) : value(v) {} +:S`]
template < typename T2 > 3\7MeG`tl
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } yHeL&H
} ; J p'^!
{L-^J`> G
&<A,\M
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 C[J9 =!t
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment CX|W$b)%
1oQw)X
/2tA
n
%*R, ceuI
class holder 19E(Hsz
{ ^O07GYF
public : r,6~%T0
template < typename T > 4^F[Gp?
assignment < T > operator = ( const T & t) const j4~(6Imm
{ @8L5UT
return assignment < T > (t); RkYdK$|K
} Y%KowgP\
} ; `"5Ub,~
;UQGi}?CD
%_(vSpk
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: FM{f{2j
N!+=5!
static holder _1; ) /raTD
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 c]6b|mHT
6S`_L
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); \<7Bx[/D4
而不用手动写一个函数对象。 /Hr|u
Qit&cnO
`16'qc
?P
kJG,~
四. 问题分析 wC1pfXa
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。 y;b#qUd5a
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。 m#_BF#
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 AyE*1 FD
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 @{/)k%U
下面我们可以对这几个问题进行分析。 .?Eb{W)^br
ynIe4b
五. 问题1:一致性 ]s\r3I]
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?| z !K2UTX
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 7HPwlS
jSI1tW8
struct holder wHLQfrl0
{ E7X6RB b
// vjEDd`jYZ
template < typename T > K~L&Z?~|E
T & operator ()( const T & r) const
Z
RVt2
{ q[s,q3n~
return (T & )r; s)-An(Uw
} { DYY9MG8
} ; S?688
K9N31'
这样的话assignment也必须相应改动: _^iY;&
%1?t)Bg
template < typename Left, typename Right > Z(MZbzY7Hq
class assignment lp`j3)
{ ;4 ;gaf
Left l; ?8~l+m6s$
Right r; 6#z8 %kaX
public : 6H|SiO9
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} v "l).G?
template < typename T2 > Phn^0 iF
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ;Q{D]4
} ; L3eF BF/
,DFN:uf=l
同时,holder的operator=也需要改动: J!C \R5\
UC`h o%OBF
template < typename T > KL$.E!d
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const a%%7Ew ?
{ EyK!'9~a
return assignment < holder, T > ( * this , t); M5I`i{Gw
} g QBS#NY
T+Yv5l
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。 dz^HN`AlzC
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 }qWnn>h9xv
cH_qHXi[G
return l(rhs) = r; +`d92T z
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。 ,^9+G"H:I
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: PzJ(Q
qiz(k:\o
template < typename Tp > bxa>:71
class constant_t P'KA-4!
{ GCl
*x:
const Tp t; JD*HG]
public : k$$SbStD
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} L?ZSfm2<
template < typename T > kFjv'[Y1N
const Tp & operator ()( const T & r) const dA<%4_WZty
{ DuC#tDP
return t; K~:SLCv
E%
} rWr'+v?
} ; `l45T~`]$
-r*|N.5c
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 [8'?G5/n
下面就可以修改holder的operator=了 wR_mJMk_
k|OM?\
template < typename T > ';R]`vWFe
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const QGN+f)
{ =-^A;AO(
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); x-i,v"8
} S(.J
nmpc<&<<
同时也要修改assignment的operator() 7rD 8
#M!u';bZ
template < typename T2 > z}-CU GS
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } gdIk%m4
现在代码看起来就很一致了。 /Xi21W/
3P!OP{`
六. 问题2:链式操作 p&I>xu8fl
现在让我们来看看如何处理链式操作。 A.b^?k%I
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。 )j2#5`?"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。 B
W*8
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。 & %/p;::A
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct dOv\]
DOyO`TJi
template < typename T > 18X?CoM~
struct result_1 h1S)B|~8
{ '`^~Zy?c
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; .6MG#N
} ; O.jm{x!m
;?u cC@
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: pj_W^,*/
@PM<pEve
template < typename T > c&PsT4Wh
struct ref )q{qWobS0
{ 5QqU.9M
typedef T & reference; ;?q(8^A
} ; YWU@e[
template < typename T > ]#NfH-T
struct ref < T &> k2eKs*WLC
{ _N;@jq\q
typedef T & reference; +C\79,r
} ; C9+rrc@4
=x+1A)Q
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: YC;@ ^
\JPMGcL
template < typename T > a=$ZM4Bn
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const u.q3~~[=
{ }h`z2%5o
return l(t) = r(t); ;40Z/#FI
} f\5w@nX
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 2<*"@Vj
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 od#Lad@p
XOX$uLm
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 9 ] N{8
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 0Y!"3bw|
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 (}wPu&Is,C
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 <e#v9=}DI
最后的布局是: Q@}SR%p
Add )xf(4
/ \ %UdE2 D'bC
Divide 5 ,7:GLkj
/ \ x
.@O]}UH
_1 3 F4~OsgZ'N
似乎一切都解决了?不。 cAN8'S(s1
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。 n',7=~
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。 wmV=GV8 d
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: MMk9rBf
@F 8NN\
template < typename Right > Pg.JI:>2Ku
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const lZ5-lf4
Right & rt) const V}TPt6C2
{ a1_ N~4r`
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); N@_y<7#C
} Y->sJm
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 )0I-N)
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。 +|;Ri68
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。 =P,mix|
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。 q2|x$5
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 t ^>07#z
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? u gRyUny
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: >"UXY)
-N/n|{+F
template < class Action > DNj<:Pdd)
class picker : public Action +)h# !/
{ zEQQ4)mA
public : }^H(EHE
picker( const Action & act) : Action(act) {} 5Bq;Vb
// all the operator overloaded d$o m\@
} ; _!|$ i
t{UWb~"
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。 2@T0QJ
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: RF8,qz
?lqqu#;8
template < typename Right > uFmpc7
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const bi-Am/9
{ ~YNzSkz
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Tq*<J~-
} JoB-&r}\V*
zt]8F)l@
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 9'Z{uHi%
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。 !M }-N
?!F<xi:
template < typename T > struct picker_maker 3\{acm
{ Z 9cb
typedef picker < constant_t < T > > result; W;yg{y
} ; =}%:4
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > *kf%?T.
{ wmK;0 )|H
typedef picker < T > result; I_Z?'M
} ; i`6utOq
S\ZCZ0
下面总的结构就有了: rx]Q,;"
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。 ku57<kb
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。 H[g i`{c
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 EQ"_kJ>81Y
至此链式操作完美实现。 )2Q0NbDn
6_8y Q
N1E9w:T`
七. 问题3 i< imE#
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。 kyJKai
p? +!*BZ
template < typename T1, typename T2 > ZQR)k:k7
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 5y='1s[%
{ y]i}j,e0L
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); u<n['Ur}|
} /Re67cMQ*
\4G9fR4
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: zB7^L^Y
R))4J
template < typename T1, typename T2 > ~yngH0S$[b
struct result_2 bA6^RIf?
{ x`p908S^
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; -NzOX"V]3
} ; !}`[s2ji
MD;,O3Ge
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? &H,UWtU+
这个差事就留给了holder自己。 mWoN\Rwj
)abH//Pps.
&a >UVs?=
template < int Order > yWN'va1+$
class holder; &B+_#V=X@
template <> *c.w:DkfB
class holder < 1 > SRHD"r^@
{ A[Ce3m
public : .ezko\nU
template < typename T > b
V_<5PHP
struct result_1 rCGKE`H
{ 9$(N q
typedef T & result; otdv;xI9
} ; ykx13|iR
template < typename T1, typename T2 > gpbdK?
struct result_2 MD0d
{ INCanE`+
typedef T1 & result; &"1 _n]JO
} ; ls "Z4v(L6
template < typename T > sV%=z}n=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const frQ=BV5%6
{ EN>a^B+!
return (T & )r; 4dz Ym+vJm
} Uu`}| &@i
template < typename T1, typename T2 > qIy9{LF
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ] RVme^=
{ O" [#g
return (T1 & )r1; .(Z^[C}
} "|WKK}
} ; d.>O`.Mu)}
)C$Ij9<A
template <> Py9:(fdS
class holder < 2 > vXSpn71Jb
{ Y}\3PaUa
public : 527u d^:
template < typename T > 93.L887
struct result_1 OtZtl*5
{ !cO<N~0*5x
typedef T & result; )Ps<u- V
} ; Ox aS<vQ3
template < typename T1, typename T2 > wxG*mOw
struct result_2 ~ayU\4B
{ N9H qFp
typedef T2 & result; odvUU#l
} ; li`
template < typename T > p2GN93,u@P
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const q~\[P4m
{ #KL W&A
return (T & )r; qm=9!jqC;
} )qWO}]F
template < typename T1, typename T2 > p:!FB8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const (/P-9<"U
{ y+.(E-g
return (T2 & )r2; V2 }.X+u&<
} _2})URU<S
} ; ka8=`cn
>BMtR0
~c=*Y=)LG
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> >。 bOlb
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: XOZ@ek)LY
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ~VF?T~Kr_
)d5mZE!3
return l(i, j) = r(i, j); JkNRXC:
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) OH5#.${O
u])MI6LF
return ( int & )i; I\82_t8
return ( int & )j; 2$ \#BG
最后执行i = j; (>om.FM
可见,参数被正确的选择了。 %(1y
m?)F@4]
ub{Yg5{3S\
_lOyT$DN
T,4REbm^
八. 中期总结 P9# }aw+
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: pWGIA6&v(
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 WZ@$bf}f0
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ][T>052v
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor q[.,i{2R}
=co6.Il
38RyUHL=
Or()AzwE@
0^MRPE|f5
M`G#cEc
九. 简化 74~%4
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。 Xu[A,6
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 o l+*Oe
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: Oyjhc<6
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 eKqo6P:#f
+-*/&|^等 W%}zwQ
2. 返回引用。 YR~)07
=,各种复合赋值等 _ Av_jw`m
3. 返回固定类型。 4p(\2?B%f
各种逻辑/比较操作符(返回bool) K&iU+
4. 原样返回。 OmECvL'Z
operator, Qb1hk*$=
5. 返回解引用的类型。 #$-`+P
operator*(单目) H[iR8<rhQ
6. 返回地址。 KQrG|<J
operator&(单目) !*-|s}e
7. 下表访问返回类型。 Jpo(O>\P
operator[] NFb<fD[C
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 WNV}@
operator<<和operator>> 5SHZRF(. 2
5q.)K
f+
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。 :\G`}_db'
例如针对第一条,我们实现一个policy类: )>^!X$`3
"[\TL#/
template < typename Left > ?xCWg.#l4V
struct value_return #6Fc-ysk:
{ H*EN199
template < typename T > c0:`+>p2
struct result_1
m3 Rss~l
{ D3;#:
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; p!~V@l
} ; nTPq|=C
ywbdV-t/
template < typename T1, typename T2 > 5+iXOs<
struct result_2 UJQGwTA W
{ ;XGO@*V5T
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; lyyRyFfQ
} ; ^9?IS<N0]
} ; p#AQXIF0
kR;Hb3hb
QpMi+q
Y
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 5*Y(%I<
,CQg6-[
下面我们来剥离functor中的operator() #?RT$L>n
首先operator里面的代码全是下面的形式: i~EFRI@
MJI`1*(
return l(t) op r(t) :0j_I\L
return l(t1, t2) op r(t1, t2) kTs.ps8ei
return op l(t) %8g1h)F"S
return op l(t1, t2) 7F wot&