一. 什么是Lambda rFJPeK7
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 izvwXC
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, ^U8^P]{R|
x("V+y*
qhQeQ
Y9w^F_relL
class filler Y0?<~Gf
{ zHg1K,t:
public : kc:>[ {9
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} UXdnN;0
} ; @
)2<$d
~\yk{1S
6");NHE
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: p*Q *}V
i2yE-sgF
u|Tg*B
Yp@i{$IUW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); +\yQZ{4'@
nvOJY6)$V
sVNM#,
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 I$Ra*r
SKdh!*G
c*N>7IF,
_9B ^@~
二. 战前分析 1$toowb"Zy
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 :H8`z8=0f{
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 )r`F}_CEL
8w\ZY>d
z <jH{AU
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); y yqya[-11
/* --------------------------------------------- */ D"vl$BX
vector < int *> vp( 10 ); \ 0J&^C
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ?(2^lH~6h
/* --------------------------------------------- */ Xt$o$V
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); F&6Xo]?
/* --------------------------------------------- */ 1b LY1
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); EL gq#z
/* --------------------------------------------- */ |<Rf^"T
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 7dq*e4z)
/* --------------------------------------------- */ +m]Kj3-z@
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); /s|4aro
gBPYGci2F
^E}};CsT
IM 8lA
看了之后,我们可以思考一些问题: eW/sPQ-
1._1, _2是什么? s+7#Tdh A
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。 2r*Yd(e
2._1 = 1是在做什么? G\ m`{jv
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。 mWiX@#,
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。 1J?x2
n~C!PXE
01&J7A2
三. 动工 wu`P=-
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: `44 }kkBT
m6iQB\ \
{OGv1\ol&
6ntduXeNVh
template < typename T > $*N)\>~X
class assignment {~a+dEz
{ *-lw2M9V
T value; xp;CYr"1}
public : /AhN$)(O
assignment( const T & v) : value(v) {} 5* 3T+OK
template < typename T2 > $5v:z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ;($" _h
} ; U%T{~f
hY[Vs5v
Unc_e
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ,o68xfdZVW
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment e0cVg
S :%SarhBD
EN/e`S$)
au~}s |#
class holder V^/]h
u
{ \95O
public : #dEMjD
template < typename T > MzX4/*ba
assignment < T > operator = ( const T & t) const G}ccf%
{ WIkr0k
return assignment < T > (t); 9aKt (g6
} y>jP]LR4
} ; f'Cx%
3Sh#7"K3
Kh,zp{
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: o'auCa,N
+x_9IvaW&?
static holder _1; ae-hQF&
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 2uy<wJE>
T]0H&Oov
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); V<W$h`
而不用手动写一个函数对象。 zd-qQ.j0
KE*8Y4#9
l0G sY.~,
O;m@fS2%3
四. 问题分析 Dg~L"
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。 +%: /!T@@
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。 C<u<:4^H
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 -lDAxp6p
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 y)]L>o~
下面我们可以对这几个问题进行分析。 9fQFsI
}V I}O{
五. 问题1:一致性 KCc7u8
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?| [t }\8^y
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 \I[50eh|
e_Un:r@)
struct holder 8\])p sb9
{ A1uo@W
// K|^'`FpPO
template < typename T > gSn9L)k(O
T & operator ()( const T & r) const rmh 1.W
{ 2(5<Wj"
return (T & )r; DJ.n8hne
} lU&[){
} ; |jT^[q(z
Li8$Rb~q
这样的话assignment也必须相应改动: \Jy/
a-
zC<k4[ .
template < typename Left, typename Right > &U7INUL
class assignment BfOQ/k))
{ k?7V#QW(
Left l; (eEs0
Right r; ;2\+O"}4H
public : W _JGJV.^f
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Oll,;{<O
template < typename T2 > TVs#,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } yNc"E
} ; nEgDwJ<wl
'"Z\8;5i
同时,holder的operator=也需要改动: +$y%H
HmQ.'
template < typename T > D6L5X/#
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 4M,Q{G|e
{ NcMohpkq
return assignment < holder, T > ( * this , t); CaE1h9
} 'h.:-1# L
i&_&4
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,eB
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 m]Gxep0%
F)n^pT
return l(rhs) = r; kVeR{i<*(
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。 %pG^8Q()
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ?_V&~?r
"kS!rJ[
template < typename Tp > 8gn12._x
class constant_t Q/zlU@
{ (<KFA,
const Tp t; ,$A'Y
public : w_ONy9
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 0Fc^c[
template < typename T > )Gm,%[?2C
const Tp & operator ()( const T & r) const K{EDmC
{ )sZJH9[K
return t; RzOcz=A}
} l' mdj!{&
} ; Nbvs_>N
n4sO#p)'
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 h
]6:`5-
下面就可以修改holder的operator=了 m xEniy
-\[H>)z]RB
template < typename T > q/#pol
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const C116c"
{ *hvC0U@3
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); hZ`<ID
} G nPrwDB
ORx6r=zg
同时也要修改assignment的operator() ;V0^uB.z
cXod43
template < typename T2 > W7#dc89}
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } =n<Lbl(7
现在代码看起来就很一致了。 )lZoXt_3
zvbO
q
六. 问题2:链式操作 [nASMKK0
现在让我们来看看如何处理链式操作。 U!i1~)s
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。 z5p5=KOb
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",;z)(%
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。 K1$
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct p|+TgOYOc
%jJ|4\
template < typename T > hQ ?zc_3
struct result_1 yu>)[|-
{ Qo~|[]GE
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; I%:\"g"c
} ; 9? y&/D5O
jS ?#c+9
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: HtV8=.^
|Kb
m74Z%
template < typename T > H/U.Bg 4
struct ref sBk|KG
{ 3Fw7q"
typedef T & reference; `a `>Mtl
} ; )G),iy
template < typename T > Cto>~pV
struct ref < T &> -}u1ZEND
{ 4sq](!A
typedef T & reference; mw&'@M_(7
} ; 2<9&OL
GkpYf~\Q
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: q|V|Jl
a+RUSz;DL
template < typename T > 22'Ra[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const d uP0US
{ nC(Lr,(
return l(t) = r(t); 8<Pi}RH
} +Sc2'z>R
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。 vi.INe
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 6l:uQz9
Y-lwS-Ii
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 VTU(C&"S
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: P?^%i
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 7K ~)7U
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 h$mGawvZ~
最后的布局是: g&{CEfw&
Add <0;G4fE7[H
/ \ Fi/`3A@68
Divide 5 E
6+ ooB[
/ \ <Sr:pm
_1 3 %}JSR y
似乎一切都解决了?不。
\u04m}h]
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。 B2Rpd &[
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。 (|#%omLL
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: Kn1T2WSAg
~^'WHuzPy
template < typename Right >
fda4M
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const -g:i'e
Right & rt) const \TYVAt]
?
{ 9kwiG7V1
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 97 ,Y q3
} F("|SOhc
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Rn`DUYg
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。 &bGf{P*Da
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。 bN6i *)}
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。 Al]*iw{
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。 VoQhzp6&
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? unNN&m#@
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: o^'QGs "
A2p% Y},
template < class Action > C9_[ke[1D
class picker : public Action xB]^^NYE=
{ a_]l?t
public : CMyz!jZ3
picker( const Action & act) : Action(act) {} K"hnGYt?
// all the operator overloaded 4'tY1d
} ; ]omBq<ox'Y
'vYt_T
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。 !]5V{3
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: 17`-eDd
J qmL|S)
template < typename Right > ggrkj0
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const lIZ&'
z
{ 7G7"Zule*j
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); p$ETAvD
} yY*(!^S
Z$r7Hi
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ur7S
K(#
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 (Q&O'ng1
@6%7X7m
template < typename T > struct picker_maker }$sTnea
{ Ck>]+rl
typedef picker < constant_t < T > > result; #3{{[i(;i
} ; 4#.Q|vyl]"
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > W`P>vK@=
{ :."6 g)T
typedef picker < T > result; I[?bM-
} ; sl(go^
us8HXvvp{
下面总的结构就有了: a8G<x<
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。 AX'-}5T=
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。 X<pNc6
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 .,U4 ATO
至此链式操作完美实现。
w~jm0jK]
3lEP:Jp
+\u\BJ!LAJ
七. 问题3 bE@Eiac
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。 $ER9u2
]0SqLe
template < typename T1, typename T2 > FFe{=H,=
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const #/8
Nav
{ g:!R't?
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); )O$S3ojZ
} \m1^sFMZ
|5&7;;$
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: q}0I`$MU
E1`_[=8a9
template < typename T1, typename T2 > +(z[8BJl
struct result_2 ,U+>Q!$`\^
{ J, +/<Y!
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ~O!E &~
} ; -v|lM8
k,; (`L
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? #JY>
这个差事就留给了holder自己。 $!_} d
.7:ecFKk
oIMS >&
template < int Order > i70\`6*;B
class holder; &.#dZ}J
template <> 8Bh
micU
class holder < 1 > 1jAuW~
{ \OWxf[
public : ~"4Cz27
template < typename T > wuXH'
struct result_1 .|TF /b]
{ <Lt"e8Z> x
typedef T & result; tK'9%yA\
} ; qSD3]Dv"
template < typename T1, typename T2 > B<$6Dj%L
struct result_2 -%K}~4J
{ &%k_BdlkQ
typedef T1 & result; Y%@;\
} ; L `=*Pwcj
template < typename T > Tu,nX'q]m
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const V`YmGo
{ FL&Y/5
return (T & )r; hhI*2|i"L
} aSJD'u4w.a
template < typename T1, typename T2 > x") Bmw$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const bxBndxl
{ F[F
NtZ
return (T1 & )r1; olXfR-2>1
} |
>yc|W
} ; 9 }42s +
J~ +p7S
template <>
fD8GAav
class holder < 2 > g2rH"3sC
{ se}$/Y}t
public : g2 mq?q(g
template < typename T > zzh7 "M3Qn
struct result_1 F&3 :]1
{ HzuG- V
typedef T & result; 9y} J|z
} ; [D?d~pB
template < typename T1, typename T2 > G
Uh<AG*+
struct result_2 !|9k&o
{ +Mn(s36f2
typedef T2 & result; YfseX;VX
} ; D4$"02"
template < typename T > 4$ah~E>,t
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1-.i^Hal
{ iV\*7
return (T & )r; :`<MlX
} hQNUA|Q=%
template < typename T1, typename T2 > r?pFc3~N
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const :3J`+V}9;
{ C{G%"q
return (T2 & )r2; oJ#;X R
} _6]CT0
} ; !.4q{YWcYk
J @IKXhb7_
*xKy^f
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> >。 R+/kx#^
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: W* n|T{n
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 5a2;@}%V
}wJH@'0+
return l(i, j) = r(i, j); qS
ggZ0*
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) PfhKomt"
mT;
return ( int & )i; d4A:XNKB
return ( int & )j; r $ YEq5
最后执行i = j; ]{0OPU
可见,参数被正确的选择了。 (S6>^:;=~
/L2.7`5
Fa{[kJ8z
"1p,
r&}
KmWd$Qy,
八. 中期总结 yD0DPtti
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 'c
>^Aai
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 zqRps8=
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 };gcM@]]E
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor
Mi}k>5VT
ogV v 8Xb
muhu`
k`C
&7{yk$]*
(ti E%nF+
?-<>he
九. 简化 ="AaC!E,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。 !?K#f?x<?
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Iy5)SZ'
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: nY?&k$n
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 H#T&