一. 什么是Lambda d4ic9u*D
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 azvDvEWCQZ
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, 8dc538:q}
_kh>Z
%v]7BV^%6
ER{yuw
class filler ha_@Yqgh
{ IK8%Q(.c
public : L<0=giE
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} (.PmDBW
} ; w'd.;
GSQfg
a|UqeNI{
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: r k@UsHy
- dl}_
gk"mr_03
(Ar?QwP9>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); AvZXRN1:'
N].4"0Jv-D
* !X4P
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 5QR}IxQ
GXO4x|08F
=Wj{]&`
O-Dc[t%
二. 战前分析 gyC^K3}
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。 otU@X 3<_
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 _]P
a>8X*
_=uviMuE
VR"8Di&)
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); MM7"a?y)
/* --------------------------------------------- */ =Qyqfy*@D?
vector < int *> vp( 10 ); 6mwvI4)
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); .Nc_n5D6
/* --------------------------------------------- */ Pow|:Lau!
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ,`<]>;s
/* --------------------------------------------- */ :H{Bb{B%
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~+<<bzY
/* --------------------------------------------- */ <p09oZ{6
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); [qiOd!
/* --------------------------------------------- */ INOH{`}Ew
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); M]1;
GN0duV
?C}sR: K/
^ZR8s^X
看了之后,我们可以思考一些问题: O"qR }W
1._1, _2是什么? ):S!Nl
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。 2pz4rc
2._1 = 1是在做什么? MZ)T0|S_
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。 ikr7DBLt
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。 q=njKC
"i&fp:E0
)PwQ^||{
三. 动工 +uELTHH=
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: w3d34*0$
^eobp.U
|Hfl&3
C*a,<`
template < typename T > `T=1<Tw c
class assignment $}db /hY*
{ n_J5zQJ
T value; Jns/v6
public : cg{Gc]'1#
assignment( const T & v) : value(v) {} @/LiR>,
template < typename T2 > I
:@|^PYw
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } `&H04x"Y$>
} ; Y_+
SA|s
y[7C% Wj
/,X7.t_-
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9l#gMFknI
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment } #qQ2NCH
$.9 +{mz
'<W<B!HP5Z
!x8kB
Di,
class holder O~atNrHD
{ {d,?bs)
public : pD[pTMG@$
template < typename T > QhsVIta
assignment < T > operator = ( const T & t) const -8/ JP
{ rfc|`*m}0
return assignment < T > (t);
k1RV'
} /eb-'m
} ; !O 8.#+
pu#[pa
HJ",Sle
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: =6fB*bNk]
~{$L9;x
static holder _1; .+HcA x{/2
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 L/%Y#
)O&z5n7t4s
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @gEr+O1K(
而不用手动写一个函数对象。 UG # X/%p
{l@WCR
n_}aZB3;U
T=>vh*J
四. 问题分析 6m@0;Ht
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 me:iQ.g
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 \+9;!VWhl
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 L ?Cjo4xS
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 l/QhD?)9
下面我们可以对这几个问题进行分析。 8RU.}PD
=gs~\q
五. 问题1:一致性 bM ^7g
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ~3d*b8
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 g8'~e{=(
`6}Yqh))
struct holder 5#2jq<D
{ yuv4*
// "|hlDe<
template < typename T > 8+ hhdy*b
T & operator ()( const T & r) const 6#vI;d[^
{ `
jyKCm.$#
return (T & )r; Cg^:jd
} ;t!9]1
} ; ^obC4(
; [FLT:$
这样的话assignment也必须相应改动: 03Ukw/D&
ly=a>}F_
template < typename Left, typename Right > H#`8Ey
class assignment mqw 84u
{ \C7q4p?8
Left l; CbQ4Y
Right r; pZjpc#*9N
public : =9<$eLE0
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} \?dTH:v/E
template < typename T2 > Z vRxi&Z{?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } C/)`<b(
} ; &r:=KT3
Sz)b7:
同时,holder的operator=也需要改动: >:$"a
x;(g
template < typename T > lC4PKmno
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const *Dc@CmBr
{ YD9!=a$
return assignment < holder, T > ( * this , t); fbV@= (y?
} .`+yo0O:
cWM:
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。 5NFRPGYX
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 a%*_2#
{Zl4C;c
return l(rhs) = r; h7*O.Opm=
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。 zofx+g\(W
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: QtlT&|$
*uU4^E(
template < typename Tp > y;QQ| =,
class constant_t ^cn@?k((A
{ #a'r_K=ch)
const Tp t; @ZG>mP1Vo
public : 6KO(j/Gwp
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 8i[LR#D)
template < typename T > N|<bVq%
const Tp & operator ()( const T & r) const [<S^c[47U
{ 5*+I
M*c
return t; gyFr"9';c
} \Z'/+}^h
} ; shzG
Eb
tah}^
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 D2]ZMDL.
下面就可以修改holder的operator=了 R;'?;I
)qd={
template < typename T > 2vvh|?M
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const C`EY5"N r
{ P5P<"
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); tR;{.
} [xf$VkjuF
(
OXY^iq
同时也要修改assignment的operator() ;W~4L+e
~ k<SbFp
template < typename T2 > 6klD22b2$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } HzEGq,.
现在代码看起来就很一致了。 y]^#$dK(z
F|*tNJU>
六. 问题2:链式操作 1daL y
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -=sf}4A
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 Q1]Wo9j
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 *{nunb>WO
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 O4!9{
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct --A&TV
BV1u,<T"
template < typename T > &g
{<HU?BT
struct result_1 u GAh7Sop
{
J `x}{K
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 3Y(9\}E@`
} ; ofK='G.
N6q5`Ry
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: {#9,j]<
qy&\Xgn;GA
template < typename T > J'Gm7h{
struct ref P9s_2KOF
{ 'e85s%ru
typedef T & reference; [Xq<EEb
} ; BjvdnbJg
template < typename T > rei5{PC
struct ref < T &> `V@z&n0P6
{ Ih3$
typedef T & reference; 6%UY1Q.?
} ; dE GX3 -
3fl7~Lw,
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: wonYm27f
F1J#Y$q~L
template < typename T > IX.sy
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const N3Z@cp
{ yf?W^{^|
return l(t) = r(t); ^}hZ'<PK
} I{EIHD<
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ?b"Vj+1:x
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 m/{Y]D{2
]zcV]Qj$~
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 C#h76fpH
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: lz}llLb1
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Pa[?L:E
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 p+)C$2YK
最后的布局是: 1@@y]s_.a
Add sS|<&3
/ \ >Fp&8p`am
Divide 5 O{nC^`X
/ \ 0Nt%YP
_1 3 .*:h9AE7vo
似乎一切都解决了?不。 ng
9NE8F
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 PqI![KxZW
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ,H@TYw
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: K.%z;(U
0Gx*'B=
template < typename Right > JSRg?p\
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const v4D!7t&v"
Right & rt) const s.KOBNCFa
{ cCk1'D|X[e
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); pagC(F
} 8:<1|]]
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 jzQ I>u
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 ;AltNGcM
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 ~ur)fAuF2
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 O/$ v69:
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\:w8M X'
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? DP0Z*8Ia
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: 3<3t;&e
Z@u ;Z[@
template < class Action > ]o `4Z"
class picker : public Action ?`"<DH~:0B
{ |veBq0U
public : TG?fUD V
picker( const Action & act) : Action(act) {} leR"j
// all the operator overloaded 418gcg6)
} ; E}t-N
=uS8>.Qj
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。 sZT VM9<)
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: ;2BPPZ
kHZKj!!R
template < typename Right > sv@}x[L
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const dbd"pR 8v
{ w2'
3S#nZ
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ~O8]3+U
} h|)2'07
iKY-;YK
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > %$^$'6\77
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。 6B
/Jp
f&f[La
template < typename T > struct picker_maker ga,A'Z
{ aQC7 V !v
typedef picker < constant_t < T > > result; %uF:)
} ; %sYk0~E
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Gtf1}UJC
{ cz$c)It
typedef picker < T > result; {XyG1
} ; *%;6P5n%
MV7}
下面总的结构就有了: #xDDh`
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。 A=y24m
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。 N <ja6Ac
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Z5 w`-#
至此链式操作完美实现。 [qq`cT@
;9 lqSv/6
!Mm+bWn=mB
七. 问题3 i_'|:Uy*F
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。 G;87in ,}
ikeJDKSG
template < typename T1, typename T2 > `W6:=H
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 3ZLr"O1l )
{ iLc)"L-i
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8.6no
} o<9yaQ;
Nu>sp,|A
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: g9RzzE!
N^)<)?
template < typename T1, typename T2 > ;F"
kD
struct result_2 R;5QD`
{ hlYS=cgY=
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; vY8WqG]
} ; k
2
mkOb
~GsH8yA_P
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? p7?CeyZ-V
这个差事就留给了holder自己。 NXC~#oG
Off: ~
QH~8
aE_i
template < int Order >
Ep#<$6>
class holder; U)IsTk~}O
template <> 0%(4G83gw
class holder < 1 > 3M`hn4)K
{ LrmtPnL
public : tIg CF?
template < typename T > `"^@[1
struct result_1 soFvrl^Ql+
{ x _YV{
typedef T & result; jSOa
} ; z[$9B#P
template < typename T1, typename T2 > @5dBb+0J
struct result_2 PG-cu$\??
{ XQ+-+CD
typedef T1 & result; !<['iM
} ; t6H2tP\AS
template < typename T > }SJLBy0
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ]ZU:%Qhu
{ i85+p2i7
return (T & )r; %yS`C"ZQ)
} hoSU`X
template < typename T1, typename T2 > F(J!dG5#
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 4p/V6kr&r
{ h\: tUEg#J
return (T1 & )r1; zN729wK
} :BrnRW64
} ;
aF4V|?+
[K|>s(Sf*
template <> 8t^;O!
class holder < 2 > bW 79<T'+
{ KzFs#rhpn
public : 9O0
template < typename T > dM@k(9|
struct result_1 ?6l,
{ Z({`9+/>u
typedef T & result; 80l3.z,:
} ; BzG!Rg|J
template < typename T1, typename T2 > q_m#BE;t
struct result_2 *7D$;?"
{ m} FCe
typedef T2 & result; uzn))/"
} ; .AQ3zpy5B
template < typename T > 5F_:[H =
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const gCBZA;/
{ <xh'@592
return (T & )r; [2fiHE
} pa> 2JF*
template < typename T1, typename T2 > _$jJpy
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const J;]@?(
{ d-S'y-V?d
return (T2 & )r2; 0R!}}*Ee>q
} 6s"bstc{
} ; 5t1DB'K9$_
]e3}9.
p-03V"^&
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 b+#~N>|
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: M&\ ?)yG
首先 assignment::operator(int, int)被调用: fyoB]{$p8
RlPByG5K
return l(i, j) = r(i, j); lL+^n~g
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) l$~bkVNL
|"E9DD]{
return ( int & )i; r`"#c7)
return ( int & )j; qA\kx#v]P
最后执行i = j; EF^=3
可见,参数被正确的选择了。 5 9J$SE
_CwQ}n*
r0uXMr=Z96
U$JIF/MO_
Oqe.t;E 0}
八. 中期总结 Ewsg&CCN
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: aZCT|M1
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 _!p$47
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Z!l!3(<G.f
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor RvZ-w$E&?
g~D6.OZU
/g7?,/vnZ
[jn;|
3
/<pQ!'/G
[MP:Eeg
九. 简化 ?v~3zHK
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。 ffd3QQ
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 =9@yJ9c-
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: y,
_3Ks
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 3s$.l}
+-*/&|^等 z(68^-V=:
2. 返回引用。
I_s(yO4pw
=,各种复合赋值等 eyjUNHeh#
3. 返回固定类型。 F@K;A%us)
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ]H7Mx\
4. 原样返回。 ZTC1t_
operator, eE_XwLE
5. 返回解引用的类型。 ^#nWgo7{7
operator*(单目) =_6h{f&Q
6. 返回地址。 uL AXN
operator&(单目) / {~h?P}
7. 下表访问返回类型。 {# _C
operator[] WN1-J(x6
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Sylsp%A
operator<<和operator>> ebK
wCZwK*
)B4c;O4t
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 A6.'1OD
例如针对第一条,我们实现一个policy类: JAlsc]XtO9
umn^QZ,
template < typename Left > ?M(Wx
struct value_return uNBhVsM6<
{ ') y~d
template < typename T > @ xr
struct result_1 Ih"Ol(W
{ cLP@0`^H
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; K a|\gl;V
} ; 83*k.]S`
;mlIWn
template < typename T1, typename T2 > 7?] p\`
struct result_2 tpK4 gjf
{ 6<nO2 GW
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 0VPa;{i/
} ; Ka{Zoi]
} ; tYa8I/HpT
[G/X
>FNt*tX<0
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait &N ;6G`3
Z.JTq~`I
下面我们来剥离functor中的operator() >YhqL62!a
首先operator里面的代码全是下面的形式: a-y5 \x
V|7CYkB8
return l(t) op r(t) v%[mt`I
return l(t1, t2) op r(t1, t2) =p6xc}N
return op l(t) rgY~8PY"
return op l(t1, t2) %}:J
9vra
return l(t) op <
.!3yy
return l(t1, t2) op l?[DO?m+R
return l(t)[r(t)] UtrbkuT
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] eGil`:JY"
jU$PO\UTk
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: 5WYU&8+]{:
单目: return f(l(t), r(t)); ,YTIYG](
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); Ex3woT-
双目: return f(l(t)); "Wp<^s sMo
return f(l(t1, t2)); ~T~v*'_h
下面就是f的实现,以operator/为例 U_No/$ b
2Mda'T8
struct meta_divide kZNZ?A<D
{ n21J7;\/+
template < typename T1, typename T2 > x7?{*w&r
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) Xc^~|%+
{ 9@06]EI_
return t1 / t2; R7i*f/m
} Cn<