一. 什么是Lambda iT;~0XU7F
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 qC;1ND
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, `5$B"p&i
*RpBKm&^7
C>bd
HB7
tn@MOOPl
class filler eq<giHJM
{ P}dhpU
public : vsDR@Y}k
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} pD)$O}
} ; XC NM
]z{f)`;I
ImnN&[Cu
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: {y0 `p1
s1/:Ts[3i
t^Hte^#S
|}YeQl
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 2wKW17wj,
b7nER]R
&Fxw19[G
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 E,fG<X{
iR`c/
e.<y-b?
d
6$,N|
二. 战前分析 4Z"JC9As
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 vi:IO
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 V< ]l=JOd
_0uFe7sIZ
CG -^}xE:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ={GYJ.*Ah
/* --------------------------------------------- */ ejID5NqG
vector < int *> vp( 10 ); nWd]P\a'V
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Ry+Ax4#+(y
/* --------------------------------------------- */ Ie14`'
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); >^!qxb-
/* --------------------------------------------- */ K/OE;;<IA
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); P{{pp<tX*&
/* --------------------------------------------- */ 8T2iqqG/1
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); FN)vFQ#J
/* --------------------------------------------- */ kq m$a
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); k'hJ@6eKS
kOycS
9sR?aW^$,/
mV58&SZT
看了之后,我们可以思考一些问题: 9)Jc'd|
1._1, _2是什么? AzwG_XgM)
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ML|O2e
2._1 = 1是在做什么? [kjm EMF9i
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 SW^/\cJ^
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 .@(+.G
@\_l%/z{
GdxMHnn=
三. 动工 .^Z^L F
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: .gPXW=r
v;r!rZX
mnwYv..ePz
6N^sUc0s
template < typename T > >>'t7U##
class assignment Lh"!Z
{ HalkNR-eEm
T value; ?[|T"bE5[
public : +/L "A
assignment( const T & v) : value(v) {} qq)Dh'5*e,
template < typename T2 > j|N8"8"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } l_Ffbs_6t
} ; qBkI9H
JDIQpO"Qji
cc"L> XoK
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 J#pl7q)^w
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment "gR W91
T
~BSE8M+r
w=r3QKm#K
)kq3q5*_
class holder )7H s
{ ;g0p`wV
public : g7-=kmr|V
template < typename T > mM&*_#(
6
assignment < T > operator = ( const T & t) const x9c/;Q&m
{ :Y{aa1
return assignment < T > (t); D~< 3
} d_0r
} ; :tv:46+s=
GO=&
L;n2,b
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: J:{$\m'
D`t }V
static holder _1; 2!Mwui;%
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 /Ww_fY
|kUxTe
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); _-vf<QO]
而不用手动写一个函数对象。 E27N1J+1
;U
+;NsCH
yWs_Z6 b
~"Pu6-\VT
四. 问题分析 e@-"B9~
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。 ~BNLzt3%O
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~6\xA
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Pmj]"7Vd[
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Mbt}G|;8H7
下面我们可以对这几个问题进行分析。 I1H} 5bf3
>UP{=`
五. 问题1:一致性 X>n\@rTo
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?| B" -gK20vY
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 :uAW
GS%i<HQ3
struct holder ,@_$acm
{ L=. 4x=%%
// n.[0#Ur&}
template < typename T > {L!w/Ie X
T & operator ()( const T & r) const Bh9O<|E
{ !Cm<K*c"&E
return (T & )r; %'}L.OvG
} _L6WbRu|
} ; M NE{mV(
q/o|uAq
这样的话assignment也必须相应改动: GP%83T
nt/+?Sj
template < typename Left, typename Right > Yfk){1
class assignment 5$r`e+Nf'
{ I[~EQ{Iz
Left l; 6AZJ,Q\E@
Right r; +DWmutL
public : B%v2)+?@
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ?G5JAG`
template < typename T2 > .b4_O
CGg
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } xZ51iD$
} ; [e2sUO0~r
\iQD\=o
同时,holder的operator=也需要改动: ~ caKzq
@#T*OH
template < typename T > dQ=mg#(
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const FuOP+r!H
{
f6 zT
return assignment < holder, T > ( * this , t); 6]i"lqb
} Dt~Jx\\
gI&& LwT4
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。 &%~2Wm
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 {iP^51fy
Lm kv.XF
return l(rhs) = r; RVFQ!0
C
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。 `laaT5G\y
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: <a-I-~
or_x0Q
template < typename Tp > XE_|H1&j
class constant_t tHSe>*eC
{ {x $H#<Y
const Tp t; ^X6fgsjz
public : ta>:iQa
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} DWB.dP *8
template < typename T > (C#9/WO?
const Tp & operator ()( const T & r) const {:&t;5qz^
{ DiK@>$v
return t; _y}]j;e8>{
} Azx4+`!-
} ; XEF|B--,
vUGEzC M
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 XqVhC):
下面就可以修改holder的operator=了 6i/x"vl>
\(t.|
template < typename T > QE&rpF7l{
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const PaF`dnJ
{ )%q]?@kB
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); j2T
Z`Z?a^
} mie<jha
RVv@x5
同时也要修改assignment的operator() TIg3'au
od{b]HvgS
template < typename T2 > LL5n{#)N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } I_mnXd;n
现在代码看起来就很一致了。 %eCbH`
/TTmMx*
六. 问题2:链式操作 M,Q(7z?#5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 d`LBFH,
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。 ]KfjZ!Qh
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。 ?[Od.
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。 $m`?x5rL8
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct O/^7TBTn<r
sQrP,:=r#
template < typename T > D 8^wR{-;J
struct result_1 G>{Bij44
{ WJ$D]7
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; * B!uYP
} ; {J2*6_
j )6A
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: +E7s[9/r
-QL_a8NL
template < typename T > dzMlfJp
struct ref 4l+"J:,
{ V6Kw71'9
typedef T & reference; G(F}o]
} ; q/,>UtRr
template < typename T > 53d8AJ_@X
struct ref < T &> Jrd:6Z
{ y^:!]-+
typedef T & reference; 12;"=9e!
} ; ec/1Z8}p
=$6z1] ;3
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: \ Tf845
smQ<lwA
template < typename T > =Jfo=`da
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const e&zZr]vs]l
{ 4QODuyl2H
return l(t) = r(t); !Mp.jE
} ;
F% 3b47
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 62~8>71;'
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 W'x/Kg,w-
6p%;:mDB
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 p`lv$ @q'
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 5y;texsj[
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 -@{5
u d
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 !E<y:$eH:
最后的布局是: aMQfg51W:
Add Su99A. w
/ \ T)J=lw
Divide 5 !L4Vz7C
/ \ [F4]pR(
_1 3 P!@b:.$
似乎一切都解决了?不。 Q@gmtAp
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。 3B#qQ#
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。 Q[EpE,
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: c8!q_H~
T:&
template < typename Right > Eb66GXF[
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const o.IJ4'}aN
Right & rt) const e E:J
{ 4SRX@/ #8*
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); R&Y+x;({
} rnW(<t"
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 rM/Ona2x
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。 -0rc4<};h
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。 +~b@W{
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。 qScc~i Oq
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。 9<BC6M_/
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? X}*\/(fzl
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: c\cPmj@
o
NX-vN-
template < class Action > 2fIHFo\8
class picker : public Action ~R-P%l P
{ j4h6p(w{
public : o?zA'5q
picker( const Action & act) : Action(act) {} ayR=GqZ1
// all the operator overloaded S-{=4b'
} ; RV^
N4q4
57 (bd0@8
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。 wq$+m(
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: _p0@1 s(U
j4pxu/2
template < typename Right > ,*_=w^;Rr
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 6
axe
{ MYyV{W*T>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); A=8%2UwI
} o~<ith$A*
FI|jsO 3
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > cQM_kV??!
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。 E6+c{4 1B
wD+4#=/j
template < typename T > struct picker_maker L\;n[,.
{ k# -u!G
typedef picker < constant_t < T > > result; ndW]S 7
} ; )LOV)z|}
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > t!^ j0 q
{ "u29| OY
typedef picker < T > result; pjG/`
} ; (%p@G5GU
f_\,H|zco)
下面总的结构就有了: w)xiiO[
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。 L>xecep
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。 FFC"rG
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ~)ut"4
至此链式操作完美实现。 >~_oSC)E
{\:"OcP #
|.]sL0;4Z
七. 问题3 GnT Cq_\
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。 Owd{;
D1G9^7:^E
template < typename T1, typename T2 > wz[Xay9jW
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const rnNB!T
{ :{7gZ+*
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ?rauhTVnJ
} @J~hi\&`
e'nhP
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: dV/ ^@[
a ][t#`
template < typename T1, typename T2 > \tCxz(vKz
struct result_2 Lp1\vfU<+
{ dMw7UJ
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; *I)F5M
} ; GpwoS1#)0|
<rQ+ErDA
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? opaRk.p
这个差事就留给了holder自己。 7&O0
5`>%{ o
@O]v.<8
template < int Order > )#%v1rR
class holder; CpGy'Ia
template <> X}fu $2
class holder < 1 > %p; 'l
{ /TEE<\"
public : j'IZ etT
template < typename T > @1c[<3xJT
struct result_1 g.,_E4L
{ q0t}
typedef T & result; eVRPjVzQ'Q
} ; 9_Ws8nE
template < typename T1, typename T2 > ov$S
struct result_2 wk9qyv<
{ ]K0G!T R<
typedef T1 & result; j3t,Cx
} ; _48@o^{
template < typename T > Y[~Dj@Q<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const zm~sq_=^
{ %mF Z!(
return (T & )r; <>71;%e;'
} +eUWf{(_
template < typename T1, typename T2 > Bx" eX>A8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const BbCaIt
{ +{b3A@f|F
return (T1 & )r1; T8t_+|(
G
} )&px[Dbx
} ; 3'jH,17lWV
dTTC6?yPXf
template <> !5^&?plC@
class holder < 2 > qK-\`m
{ -hU1wX%U
public : N+nv#]{
template < typename T > %=*nJvYS
struct result_1 8M6wc394
{ o=)["V
typedef T & result; <FofRFaS
} ; uXuA4o$t-
template < typename T1, typename T2 > N~!
GAaD
struct result_2 sZh| <2
{ lHI?GiB@
typedef T2 & result; !;%+1j?d
} ; #+ai G52+
template < typename T > /RBIZ_
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const +@mgb4_
{ *|*6q/
return (T & )r; aH'=k?Of;
} 8#h~J>u.
template < typename T1, typename T2 > HceZT e@
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const
iF^
{ |T+YC[T#v
return (T2 & )r2; CFW#+U#U
} ~{00moN"m
} ; d`sIgll&n
kE[Hq-J=N
\N a
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 S2PPwCU
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的:
%G>
首先 assignment::operator(int, int)被调用:
:zK\t5
LUKt!I0l
return l(i, j) = r(i, j); N / Fa^[
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) cMZ-
aS/ MlMf
return ( int & )i; 8S#TOeQ
return ( int & )j; S%IhpTSe6
最后执行i = j; DP6>fzsl
可见,参数被正确的选择了。 s$ZKd
shuoEeoo
r"$~Gg.%(
kJNu2S
VK[`e[.C
八. 中期总结 ,cFBLj(@
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: YF$nL(
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 h
{M=V
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 W8N__
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor :Oh*Q(>
#McX
'9tV-whw
XJ6=Hg4_O
N?l
5c 6 9M5
九. 简化 YDjjhe+
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。 XFi!=|F
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 #4Ltw,b^
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:
H$!sK
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 /L;
c -^
+-*/&|^等 'q7&MM'oS^
2. 返回引用。 58[.]f~0
=,各种复合赋值等 zOn%\
3. 返回固定类型。 d 6=Z=4w
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Gq =i-I
4. 原样返回。 Noi+mL
operator, V7)<MY
5. 返回解引用的类型。 60X))MyN
operator*(单目) ;R*tT%Z,
6. 返回地址。 4YyVh.x
operator&(单目) K-Fro~U
7. 下表访问返回类型。 tE"IE$$1
operator[] TFI$>Oz|
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 RCY}JH>}
operator<<和operator>> fK10{>E1
O)D+u@RhH
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。 @,;VMO
例如针对第一条,我们实现一个policy类: KvNw'3Ua
gV;9lpZ2
template < typename Left > H|s,;1#
struct value_return +P|Z1a -jB
{ 7CSd}@71\
template < typename T > (
P\oLr9
struct result_1 &w{:
qBa
{ wvPS0]
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ^-g-]?q
} ; LDYk\[81
x.ucsb
template < typename T1, typename T2 > I9hZ&ed16
struct result_2 m98w0D@Ee
{ Z3N^)j8
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; yv2wQ_({
} ; Lem:zXj
} ; @!,W]?{
_\u?]YTv
d#u*NwY}
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ]^v*2!_(
=S<