一. 什么是Lambda sn]D7Ae
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 8~g~XUl
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, +RnWeBXAT
XJk~bgO*
<;cch6Z
,$RXN8x1
class filler q Ll4t/p
{ N2lz{
public : We'= /!
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} TP)o0U
} ; j,z)x[3}
OF:0jOW
ZP-9KA$"
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: ]cWQ9
5xU}}[|~-
VFm)!'=I
KcW 5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); XinKG<3!
$4og{
^s$U
n6v[
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 S"`{ JCW$
jc@=
b:r=
k L4 #
/+WC6&
二. 战前分析 %ofq
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。 ,wy;7T>ODd
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 Y@qugQM>
^N`KT
w{]B)>! 1W
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); LxiN9
/* --------------------------------------------- */ "W_E!FP]r
vector < int *> vp( 10 ); J?tnS6V
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); $-<yX<.
/* --------------------------------------------- */ k0TQFx.A
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); fG{3S:TQq
/* --------------------------------------------- */ .k#O[^~]
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); dF|R`Pa2ML
/* --------------------------------------------- */ 1`l(H4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 3_T'0x\FP
/* --------------------------------------------- */ u=E &jL5U
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Ec }9R3 m
qoW$Iw*q)B
#jO2Zu2`}
NGEE'4!i7T
看了之后,我们可以思考一些问题: n7zM;@{7
1._1, _2是什么? \Rha7O
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。 = \K/ulZo
2._1 = 1是在做什么? (&, E}{p9
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。 x}x )h3e
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。 )*7{%Ilq
_^!C4?2!
$XKUw"%
三. 动工 "cbJ{ G1pk
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: `iEYq0}
&v9"lR=_k
C;9P6^Oz
_T=";NSa
template < typename T > `wSoa#U"@
class assignment ^E%NYq_2l<
{ r]kks_!Z
T value; .'2"83f
public : |C,]-mJ G
assignment( const T & v) : value(v) {} jP<6Q|5F
template < typename T2 > TP Y&O{q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } QX_![|=
} ; A.YK=_J
W&m3"~BJ
D hk$e
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 {3!A\OR
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment &?']EcU5h9
cvx"XxE,
ZT,auSX
Cn.dv-
class holder Upm#:i|"
{ #;m^DX QZn
public : $lJ!f
template < typename T > KCqz]
assignment < T > operator = ( const T & t) const 7JY9#+?p>
{ :JXcs39
return assignment < T > (t); -vt6n1A&b
} '|M} 3sL
} ; ':utU1dL
+RK/u
`eGp.[ffT
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: jASK!3pY
`G>|g^6%i
static holder _1; g26 l:1P
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 qc.9GC
}Fu2%L>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); t=[/L]!
而不用手动写一个函数对象。 QEmktc1 7
E#kH>q@K`$
TETfRnm
qzk]9`i1:
四. 问题分析 ;]rj Kc=
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。 c|4_nT
2
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。 [ .3Gb}B
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Z(J
1A x
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8"u.GL.
下面我们可以对这几个问题进行分析。 F-$NoEL
48!F!v,j)x
五. 问题1:一致性 ]!@!qp@
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?| "{jVsih0
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 `"$9L[>
A~LTi
struct holder XU}" h&>
{ TNcMrbWA
// 0+A#k7c6p
template < typename T > za8+=?
T & operator ()( const T & r) const S:c
lyx
{ q z!^<
M
return (T & )r; lDs C>L-F
} 2[KHmdgtB
} ; UZgrSX {
\ow(4O#
这样的话assignment也必须相应改动: q?f-h<yRQ
-BsZw.
7P
template < typename Left, typename Right > Mv7tK
l
class assignment BJsN~`=r
{ t4-0mNBZt$
Left l; fY|vq
amA;
Right r; ~ \c
j
public : pFwe&_u]
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} AUl[h&s
template < typename T2 > Q2!RFtXV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Q%t
_Epe
} ; wJ7Fnj>u%
ASNo6dP7
同时,holder的operator=也需要改动: 73!])!SVI
<*p
template < typename T > [,|4%Y
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const .O
PBET(gv
{ 1ay{uU!EL
return assignment < holder, T > ( * this , t); L-e6^%eU
} vNU[ K%U
fqol-{F.V
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。 D6EqJ,~
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 AgdU@&^
ulk yP
return l(rhs) = r; o* QZf*M
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。 P{8<U8E
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: a$Ghb]
M!\6Fl{ b
template < typename Tp > J!zL)u|
class constant_t o1Wf#Zq
{ G:MQ_tfr&
const Tp t; |:d_IB@
public : ?gXdi<2Qn
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} QRER[8]r$
template < typename T > K*"Fpx{M
const Tp & operator ()( const T & r) const e4cWi
{ PC)V".W1
return t; PS??wlp7
} M5]$w]Ny9
} ; 5eas^Rm
J
{\]ZPs
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 eZ(o _
下面就可以修改holder的operator=了 {.UK{nA?sm
;S+"z;$m
template < typename T > FFf
~Vmw
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const .r-kH&)"GU
{ S,C/l1s
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); OEHw%
} kgRgHkAH~
Zor Q2>
同时也要修改assignment的operator() =5h,ZB2A
SS-7y:6y>
template < typename T2 > f<@`{oP@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } E%)3{#.z
现在代码看起来就很一致了。 Qexv_:C
ybgw#jv=
六. 问题2:链式操作 Dn;$4Dak(
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ?yvjX90
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 U6_GEBz~y
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 :D=y<n;S+
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 yrR,7vJ
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct F#7A6|
; <|m0>X
template < typename T > @X#e
struct result_1 z)pp{
{ T@DT|lTI
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; " G0HsXi
} ; J<7nOB}OD
+~M`rR*
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ]WC@*3'kye
JA^Y:@<{/
template < typename T > _gP-$&JC
struct ref 4031~A8
{ l":Z. J
typedef T & reference; A(qy>x-BI
} ; Kj*:G!r0.:
template < typename T > EX,)MU
struct ref < T &> Kyq/o-
{ ngQ]
typedef T & reference; WiclG8l
} ; \BxE0GGky
npdpKd+*K"
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: +"2IQme5
L\H,cimN
template < typename T > ?hwT{h
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 0p'=Vel{}
{ NhA_dskvo
return l(t) = r(t); )]C7+{ImC
} vOYG&)Jm
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。 w>$2
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 *%xmCPJ
X3;|h93.a
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 (E(kw="
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: &B5@\Hd;
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 )6:nJ"j#
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 g{?]a'?
最后的布局是: {(!j6|jK
Add F;^GhiQVS
/ \ $^4URH
Divide 5 C@L8,Kj ~.
/ \ GT} =(sD L
_1 3 X(ZouyD<
似乎一切都解决了?不。 OTe0[p6v
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 _4jRUsvjY
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 |0$wRl+kN
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: }^
j"@{~
Lz'05j3!
template < typename Right > -I#1xJU
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Q+UqLass
Right & rt) const lnoK.Vk9,
{ Ju"*>66
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); J_^Ml)@iy
} e$+?l~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 O0i[GCtP5
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 gLef6q{}
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 { f@k2^
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 s'/ g:aJ
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 }+8w
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? OJ:iQ
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: P9aGDma
"##Ylq( "
template < class Action > J9
iQ W
class picker : public Action #{8n<sE
{ EJrn4QOs
public : JtrLTo
picker( const Action & act) : Action(act) {} ,U#$Qb 12
// all the operator overloaded w1+xlM,,9
} ; r-$SF5uv
|?Z;tAF!
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 `|i[*+WC
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: GX+o A]
D|[~Py
template < typename Right > KC-q]
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const *VFUC:
{ |-c)OS3#D
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /~Q2SrYH
} yI 6AafS~
W c"f
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 'bpx
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 M#Vl{ b
9_mys}+
template < typename T > struct picker_maker "=uphBZog
{ d?)C} 2
typedef picker < constant_t < T > > result; `4'['x
} ; [D=3:B&f
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > )o<rU[oD]C
{ W^Jh'^E
typedef picker < T > result; U[b$VZ}
} ; /pvR-Id|6
bF'^eR
下面总的结构就有了: C"I:^&sL
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。 8Ilg[Drj*
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。 iv*Ft.1t
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 sILkTzsw
至此链式操作完美实现。 S/?KC^JP
2V0gj
/&
4|*H0}HOm
七. 问题3 MH+t`/E0]
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。 '{:WxGgi
:6 ?&L
template < typename T1, typename T2 > u~,@Zg87
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 5__8+R
{ <B*}W2\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); %{*}KsS`p
} 1YmB2h[Z
9WaKs d f
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: %Bo/vB'
6^pddGIG
template < typename T1, typename T2 > xG05OqKpE
struct result_2 YY(,H!
{ h[SuuW
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; XAV|xlfm
} ; cCd2f>EHw
\Ze"Hv
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? `Tx1?]
这个差事就留给了holder自己。 :bxq%D%|o
LY%`O#i.
Cebl"3Q
template < int Order > -t, .A/?
class holder; "Ldi<xq%xl
template <> Jb'M/iG
class holder < 1 > t'bzhPQO)f
{ H1H+TTZr
public : *_puW
x
template < typename T > &}P{w
struct result_1 D=U"L-rRs
{ t0*JinKI
typedef T & result; @tvAI2W
} ; ]g
jhrD
template < typename T1, typename T2 > )vB,eZq
struct result_2 }|
BnG"8
{ xeqAFq=9?
typedef T1 & result; 3"HpM\A{A=
} ; Nj
Ng=q
template < typename T > >z*2Og#1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ad). X:Qs
{ >qj Q;z[
return (T & )r; ULq#2l
} d>z?JDt
template < typename T1, typename T2 > =6Dz<Lq
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z[Gs/D
{ Y]ML-smN
return (T1 & )r1; .`z](s
} K8{U b
} ; F2yc&mXyk
|kL^k{=zV
template <> sGjYL>*
class holder < 2 > S&jZYq**
{ *xxG@h|5n
public : KXEDpr
template < typename T > ~U+SK4SK:o
struct result_1 rmj?jBKQU
{ d Ybb>rlu
typedef T & result; ^lCys
} ; ?Xscc mN
template < typename T1, typename T2 > kK2x';21
struct result_2 &u-H/CU%
{ JHpaDy*
typedef T2 & result; T!.6@g`x>
} ; %/17K2g
template < typename T > |cwGc\ES
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1*{` .
{ |tC`rzo
return (T & )r; _{ z.Tu
}
GU99!.$
template < typename T1, typename T2 > 6@`Y6>}$_
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const !ydJ{\;
{ l$$N~F N
return (T2 & )r2; VU7x w
} .!T]sX_P
} ; .l$'%AG:~
P+!j[X^
&K@2kq,
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 DN)Ehd.
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: L4I1n l
首先 assignment::operator(int, int)被调用: zG|}| //}
KlbL<9P>
return l(i, j) = r(i, j); h$)},% e
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) iGmBG1a\
>'3J. FY
return ( int & )i; 1?\ #hemL
return ( int & )j; gz6BfHQG
最后执行i = j; ^a~^$PUqI
可见,参数被正确的选择了。 ~W'>L++
wehZ7eqm
"Gx(-NH+
5#+G7 'k
g6:S"Em
八. 中期总结 %\8E{M:
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: (Hqy^EOZ
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 V3&_ST
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 _idTsd:\
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor O-r,&W
j_ dCy
HE0UcP1U
@l~zn%!X
zoYw[YP 9
{]1+01vI-
九. 简化 @Y":DHF5q
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 epa)~/sA
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Pl4$`Qw#y
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: >gqM|-uY
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 J8[N!qDCj
+-*/&|^等 W|_^Oe<
2. 返回引用。 W$=MuF7R
=,各种复合赋值等 [UN`~
3. 返回固定类型。 ||TKo967]
各种逻辑/比较操作符(返回bool) *I7$\0Q
4. 原样返回。 _Wn5*
Pi%Z
operator, Y@'ug N|[C
5. 返回解引用的类型。 Jybx'vZj
operator*(单目) Y <;A989D
6. 返回地址。 4$D:<8B
operator&(单目) .iFd
7. 下表访问返回类型。 hawE2k0p(
operator[] ^s<p5V
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 bM`7>3
d7E
operator<<和operator>> L=zt\L
v^_OX$=,
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。 0^htwec!
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ,<]X0;~oB
}lzUl mRTe
template < typename Left > KCG-&p$v@s
struct value_return noz&4"S.{
{ VY }?Nb<&
template < typename T > <{U "0jY!9
struct result_1 48
DC
{ 5N=QS1<$5
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; B=K&+
} ; $7%e|0jC
qH(3Z^ #.|
template < typename T1, typename T2 > "_Wv,CYmNr
struct result_2 kae&,'@JF
{ 4?GW]'d
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 6BT o%
} ; 5[\mwUA
} ; *,Bo $:(n
UR;FW`
P~Cx#`#(V
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait OmO/x
"W:#4@
F
下面我们来剥离functor中的operator() EN^C'n
首先operator里面的代码全是下面的形式: ]mEY/)~7
S+LE ASOr
return l(t) op r(t) k.b->U
return l(t1, t2) op r(t1, t2) MH;5gC@
`
return op l(t) Nrp0z:
return op l(t1, t2) "/v{B?~%!
return l(t) op A|!u`^p
return l(t1, t2) op P[NAO>&t