一. 什么是Lambda !@mV$nTA
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 yX%T-/XJ
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, c"BFkw
m(QGP\Ya
:0,q>w
( zQ)EHRD
class filler [:gPp)f,
{ v3|-eWet^
public : ;-p1z%
u
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} SH>L3@Za
} ; Az4+([
nU]n]gd
9{{QdN8
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 2N_8ahc
=}N&c4I[j
Gt4| ]
{~.~ b+v
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); "&jA
CI
)%rGD
=2~
X|+ o4R?
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 oTOr,Mn0\6
R;,&s!\<
N6wea]
cIqk=_]
二. 战前分析 aty"6~
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 4Q2=\-KFj
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 }7iWm XlI
PI{;3X}9$,
tpe:]T/xh
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); *,$cW,LN
/* --------------------------------------------- */ 9(?9yFbj5
vector < int *> vp( 10 ); Cz=HxU80J
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); E$5)]<p! <
/* --------------------------------------------- */ dQ6:c7hp>D
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); |J:n'}
/* --------------------------------------------- */ z-<091,
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); f,:SI&c\
/* --------------------------------------------- */ D<}z7W-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); >hqev-
/* --------------------------------------------- */ noY~fq/U
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); y<7C!E#b8
Ay7I_"%
}*.S=M]y$
e~tgd8a2a
看了之后,我们可以思考一些问题: %lVc7L2]
1._1, _2是什么? lej-,HX
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。 ~`'!nzP5H
2._1 = 1是在做什么? `.3!
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。 kO:|?}Koc
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。 d-e6hI4b
uC{qaMQ
JCoDe.
三. 动工 VOc_7q_=
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: C!KxY/*Px
*^j'G^n
R `}C/'Ty
7_Yxz$m
template < typename T > Xv[5)4N
class assignment 6&8 ([J
{ yuyI)ebC
T value; GE;S5X]X
public : W[trsFP1?
assignment( const T & v) : value(v) {} @tQu3Rq@
template < typename T2 > 3vx5dUgl,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } )?35!s6
} ; AF ,*bb
HUF],[N
Tb~|p_;o
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 (,Zy2wr=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment y/}[S@4uB
W\mj?R
N ] KS\
+O`3eP`u
class holder <a9<rF =r
{ L%G/%*7;c
public : VyQ@. Lm
template < typename T > H CKD0xx
assignment < T > operator = ( const T & t) const ?y1']GAo
{ AY]dwKw
return assignment < T > (t); -$W#bqvz^
} Co|3k:I 8
} ; 0=N,y
>eX&HS oy
GM&< ?K1
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: HgH\2QL3&
4n55{?Z
static holder _1; 0ws1S(pq
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 kKbq?}W[
Z>=IP-,>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 1'.SHY|
而不用手动写一个函数对象。 +Sz%2Q
0,~f"Dyqy
b1rW0}A
W5C8$Bqm
四. 问题分析 {wUbr ^
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。 !O;su~7
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。 Q;9-aZ.H
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 C\%T|ZDE
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 tK@|sZ>3\
下面我们可以对这几个问题进行分析。 "*08?KA
F"p7&e\W|l
五. 问题1:一致性 Be~__pd
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?| nV/8u_
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 zK Rt\;PW
Fjnp0:p9X
struct holder ;<=Z\NX
{ R/!lDv!
// /j7e
q
template < typename T > &j}08aK%
T & operator ()( const T & r) const N, `q1B
{ @zu IR0Gr)
return (T & )r; TcW-pY<N
} 91I6-7# Xt
} ; Vq8 G( <77
U.XvS''E
这样的话assignment也必须相应改动: G
=`-w
fU/&e^,
's
template < typename Left, typename Right > n $Nw/Vm
class assignment r"E%U:y3P
{ ALcin))+B
Left l; +0,'B5 (E
Right r; @;\2 PD
public : .AB n$ml]
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 8'K~+L=}
template < typename T2 > u^6@!M
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Q#k Sp8
} ; E[$"~|7|$
@`Fv}RY{
同时,holder的operator=也需要改动: '=s{9lxn^
,W8EU
template < typename T > %@L[=\
9
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const -|z
]Ir
{ KU]co4]8^s
return assignment < holder, T > ( * this , t); Za[?CA
} `efC4#*!!
"Wz8f
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。 fAEgrw%Ti
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 7Shau%2C
Dx)>`yJk$;
return l(rhs) = r; {^J/S}L]
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 GtuA94=!V&
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: |Do+=Gr$t@
P}`|8b1W
template < typename Tp > PL/g@a^tY
class constant_t $Cgl$A
{ wDQ@$T^vh
const Tp t; #}PQ !gZ
public : Q,ezAE
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ^`~s#L7
template < typename T > $&25hvK,
const Tp & operator ()( const T & r) const rCK
{ 0sMNp
return t; hD>]\u
} f-.dL
} ; t]3> X
7$"A2x
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 "*U0xnI
下面就可以修改holder的operator=了 hqXp>.W
&nV/XLpG
template < typename T > lQS(\}N
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ^cUmLzM
{ "h@=O
c
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *&vlfH
} 1 5heLnei
._E 6?
同时也要修改assignment的operator() c;X%Ar
X!b+Dk
template < typename T2 > 0dTHF})m
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } qix$ }(P
现在代码看起来就很一致了。 lGlh/B%
'iM#iA8
六. 问题2:链式操作 "L0Q"t:
现在让我们来看看如何处理链式操作。 (U{,D1?
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。 Z5j\ M
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。 @Ojbu@A
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。 t !8(I R
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct +TZVx(Z&A
Af"p:;^z
template < typename T > v~*Co}0OB
struct result_1 ~xa yGk
{ H|Y*TI2vf8
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; |Q(3rcOrV"
} ; pqCp>BO?O
+`J~c|(
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: [+F6C
dEhFuNO<2
template < typename T > 0$qK: ze
struct ref dfA2G<Uc
{ :@RX}rKG
typedef T & reference; dO1h1yJJ
} ; SHc?C&^S
template < typename T > f`s.|99Y
struct ref < T &> s/l>P~3=
{ 1gA^Qv~?
typedef T & reference; XtZeT~/7RT
} ; ]+k]Gbty6
]Sey|/@D
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: +=`*`eP:U
hS 9^Bi
template < typename T > pJ3-f k"i
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const w61*jnvi@
{ A-eRL`
return l(t) = r(t); cq`!17"k
} uv&4
A,h
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 h ^.jK2I
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 O[|_~v:^
j0b>n#e7
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 kt#t-N;}x
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: wX4gyr
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 S"cim\9xP
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 zcy`8&{A<?
最后的布局是: y]okOEV0
Add S l`F`
/ \ 1)H;}%[
Divide 5 FvJkb!5*e_
/ \ cCuK?3V4K
_1 3 O@>ZYA%
似乎一切都解决了?不。 &R))c|>OT&
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。
/ M@[ 8
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 FfX*bqy
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: NI:3hfs
YO9ofT
template < typename Right > C"0vMUZ
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const K8JshFIe
Right & rt) const 5^97#;Q;J"
{ ,_UTeW6M
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1{<r~
} +w2 `
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 l*z+<c6$_
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。 KJ 7-Vl>
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。 `)tIXMn
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。 \ 62!{
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。 d3]<'B:nb
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? >rYkVlv
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: P9o=G=i
P# |}]oG%
template < class Action > Ck:+F+7_v
class picker : public Action _7;D0l
{ M2nWvU$
public : 489xoP
picker( const Action & act) : Action(act) {} wu. >'v?y
// all the operator overloaded z+K1[1SM
} ; \iA.{,VX
9DmFa5E
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。 gh-i|i,
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: Ltk-1zhI
hs*n?vxp3
template < typename Right > $q##Tys
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const } 4ZWAzH
{ qi['~((
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); B"rO
} Ki>XLX,er=
25;(`Td5
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2Z-QVwa*U
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 3*E]
:l_
&W}6Xg(
template < typename T > struct picker_maker mgTzwE_\
{ MnP+L'|
typedef picker < constant_t < T > > result; B2Kh~Xd
} ; %R<xe.X
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > A`* l+M^z
{ 2%/+r
typedef picker < T > result; WIN3*z7oW
} ; q8}he~a
NcX`*18
下面总的结构就有了: +q%b'!&Q
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 .;)V;!
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 IN,=v+A
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 r&_e3#]*
至此链式操作完美实现。 HLC I
hOYP~OR
k3T374t1b
七. 问题3 ? U* `!-
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 !j&#R%D
"TVmxE%(
template < typename T1, typename T2 > ~
\b~
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const # S(b2LEc
{ 7u:QT2=&
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); + (Jh$b_
} ?aguAqG$
;?y~ h$
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: #itZ~tol
=imJ0V~RW
template < typename T1, typename T2 > /i{V21(%
struct result_2 ^mouWw)a_
{ TPYh<p#
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ?KWo1
} ; @p@b6iLpO
iqFC~].)
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? KV! (
这个差事就留给了holder自己。 Q\}Ck+d`a
=y=MljEX
&(m01
template < int Order > VI-6t"l
class holder; dl(!{tZ#
template <> 6#Rco%07zI
class holder < 1 > RIDl4c
[
{ C#B|^A_
public : R\-]$\1D
template < typename T > *-S?bv,T'
struct result_1 TkVqv v
{ W![~"7?
typedef T & result; e@1A_q@.
} ; A1*\ \[
template < typename T1, typename T2 > HM#|&_gV
struct result_2 0Bk-)z|V
{ ijDXh y
typedef T1 & result; }qR6=J+Dx
} ; #|T2`uYotf
template < typename T > 0lOR.}]q
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const xUTTRJ(\
{ cdN =HM~I
return (T & )r; -e>Z!0
} D^}2ilk!
template < typename T1, typename T2 > <`?%Cz AO
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const z0%tBgqY(
{ hVl@7B~
return (T1 & )r1; vpC?JXz=H
} /t*Q"0X5
} ; ZZ
T
9t#~
]0g p.R
template <> AY;[v.Ff4
class holder < 2 > R:rols"QM
{ @<&u;8y-Cn
public : o$Y#C{wC%
template < typename T > ErgWs Aw-
struct result_1 s LWVgD
{ HA[7)T N1E
typedef T & result; 1vS-m x
} ; {vT9I4d8
template < typename T1, typename T2 > 'dqecmB
struct result_2 W0}FOfL9
{ Rd<K.7&A}
typedef T2 & result; >s )L(DHa"
} ; 5hh6;)
template < typename T > 7-0j8$`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const g+7j?vC{'
{ y;(G%s1
return (T & )r; P#V}l'j(<a
} lPrAx0m13%
template < typename T1, typename T2 > >x6)AH.
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 5tk7H2K^<
{ +"1-W>HV
return (T2 & )r2; (g&@E(@]?
} T^{=cx9x9
} ; dK;ebg9|
LIKQQ
0{I-x^FI
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> >。 )[u'LgVN/L
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ~Orz<%k.
首先 assignment::operator(int, int)被调用: VGc.yM)&
j
bcT'!:
return l(i, j) = r(i, j); X<5&R{oZ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) c|Z6p{)V
GB;_!69I
return ( int & )i; qz.l
return ( int & )j; p/G9P +?
最后执行i = j; 5m;BL+>YE
可见,参数被正确的选择了。 Z>l<.T"t'
.*X=["
F
bnPhhsR
"{trK?-8%
18p4]:L
八. 中期总结 Wc,`L$Jx
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: :DeJnE
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 "rfBYl`
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 <;uM/vSi
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ?b"'w
A-J#$B
OJh MM-
)."dqq^ q
~)zxIO!
r8!pk~R5]
九. 简化 hc|#JS2H@y
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。 %;|dEY
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Qc=-M'9
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: $~VIx% h
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 TuaP
+-*/&|^等 z`NJelcuz\
2. 返回引用。 Z3=N= xY]
=,各种复合赋值等 V-E 77u6{0
3. 返回固定类型。 S<-5<Pg
各种逻辑/比较操作符(返回bool) NjPQT9&3h
4. 原样返回。 AX
Q.E$1g
operator, I*$-[3/
5. 返回解引用的类型。 5:#|Op N
operator*(单目) 9MQjSNYzo
6. 返回地址。 {+[Ex2b$
operator&(单目) j(}pUV B
7. 下表访问返回类型。 WF_QhKW|k
operator[] IYHNN
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 2+b}FVOe\
operator<<和operator>> >>"@0tO
L"NfOST3'R
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。 >yVp1Se
例如针对第一条,我们实现一个policy类: cYXL3)p*Q
bUds E1f
template < typename Left > ] W$V#
struct value_return * dk(<g=fM
{ wAJ=rRI
template < typename T > )]4=anJu@|
struct result_1 u^#e7u
{ ZHlHnUo
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ~B?Wg!
} ; 2$`Y 4b 3t
zL3zvOhu}
template < typename T1, typename T2 > SoHaGQox
struct result_2 71ab&V il
{ b'z\|jY
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; XHOS"o$y
} ; l N0u1)'2
} ; 8R-;cBT
]!N=Z
}LD
Hl'AnxE
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait VE1j2=3+o
4tx6h<L#s
下面我们来剥离functor中的operator() }B!io-}
首先operator里面的代码全是下面的形式: m(^N8k1K;
Plhakngj
return l(t) op r(t) @K}h4Yok
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ^zS;/%
return op l(t) Bu+?N%CBi
return op l(t1, t2) L6;'V5Mg72
return l(t) op O:
#SjjK
return l(t1, t2) op
r* l
c#
return l(t)[r(t)] lV$#>2Hh5
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] ckv8QAm
[tElt4uG
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: ^]~!:Ej0
单目: return f(l(t), r(t)); tmM; Z(9t
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); Y> ATL
双目: return f(l(t)); 3-)}.8F
return f(l(t1, t2)); uPxjW"M+
下面就是f的实现,以operator/为例 g5u4|+70
LafBf6wds
struct meta_divide 12_7UWZ"
{ c@)?V>oe
template < typename T1, typename T2 > &%8IBT
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) }$r]\v
{ N93R(x)%
return t1 / t2; xU6dRjYhH9
} yy&L&