一. 什么是Lambda B[Uvj~g
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?DkMzR)u
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, eQno]$-\
\no[>L]
~d7!)c`z
[X=-x=S,
class filler ]E88zWDY`
{ |qJQWmJO&U
public : X#-U
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 3t(nV4uDF
} ; ./)A6O*#
Xf9<kbRw/
) ]U-7
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 1,Uv;s;{
x\!Qe\lE
xe|o(!(
wCvtw[6
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); A--Hg-N|
YQiTx)_
9~<HTH
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 d> `9!)
?I`']|I
sn/^#Aa=N
_{KQQ5k\
二. 战前分析 v'S}&zmF]
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 R|ViLt y
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Tv3Bej
F>)u<f,C
!Z,h5u\.w
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); b-@VR
/* --------------------------------------------- */ "kz``6C
vector < int *> vp( 10 ); E:(flW=
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ^:\|6`{n
/* --------------------------------------------- */ 0eQyzn*98
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); rcPP-+XW
/* --------------------------------------------- */ ;c_X
^"d
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 0CQ\e1S,#
/* --------------------------------------------- */ 1Qtojph
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); &
p"ks8"
/* --------------------------------------------- */ N0sf
V
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); X26gl 'U
%w,
%7Z_Hw
y1(smZU
看了之后,我们可以思考一些问题: o';sHa'
1._1, _2是什么? t%n1TY,
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 UBrYN'QRNt
2._1 = 1是在做什么? pcv (P
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 x,STt{I=
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 *]p]mzc
C6ZM#}I$l
T#Qn\8
三. 动工 #]oVVf_
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: YL=?N k/
nfq
A}FEM[2
vdYd~>w
template < typename T > {%'(IJ|5z
class assignment ]YQlCx`
{ B8'" ^a^&-
T value; i))S%!/r~
public : cV_nYcLkz
assignment( const T & v) : value(v) {} f[HhLAVGK`
template < typename T2 > }L{en
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } z"u4t.KpL
} ; mZDrvTI'
vAbMU
=GTltFqI1
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ;M{ @23?`
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment :kfHILi
gXZ.je)NM
bBc<yaN
0R>M_|
class holder :Oo(w%BD]
{ /-b)`%Q|Y
public : *T*=~Y4kE
template < typename T > B@Ez,u5
assignment < T > operator = ( const T & t) const +#}I^N
{ KcglpKV`
return assignment < T > (t); '`#2'MXG
} # nwEF QA
} ; G,e>dp_cPu
<- Q=h?D
!krbGpTVH
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: ce\]o^4
fmXA;^%
static holder _1; &/d;4Eu
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 XL>cTM
yo`Jp$G
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); V]tucs
而不用手动写一个函数对象。 AqZ{x9g!
y~w2^VN=
w7$*J:{
~&4Hc%*IB
四. 问题分析 bX:Y5o49
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。 k]!Fh^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。 r9sW:cM:e
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 hW$B;
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 n$g g$<
下面我们可以对这几个问题进行分析。 DnS#
cs~
zdrCr0Rx,
五. 问题1:一致性 Wp`wIe6
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?| _(&^M[O
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 XMd-r8yYr
r j#K5/df
struct holder vcy}ZqWBO
{ ,di'279|
// ~Jrtm7
template < typename T > cH?j@-pY
T & operator ()( const T & r) const t&T0E.kh*X
{ &[f.;1+C
return (T & )r; U+F?b\
} "G-}
wt+P
} ; \/g.`Pe
L!Iu\_{q
这样的话assignment也必须相应改动: .p NWd
Fd*)1FQKT
template < typename Left, typename Right > $73 7oV<
class assignment 0tv"tA;
{ ce{(5IC
Left l; 6e3s
|
Right r; JziuwL5,
public : wN\%b}pp
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} o@mZ 6!ax3
template < typename T2 > n#[-1(P
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } k3h,c;
} ; 2F[smUL
f^z~{|%l!
同时,holder的operator=也需要改动: ZdJwy%
3e~ab#/
template < typename T > 'VcZ_m:
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ^I=c]D]);
{
YQ9@Dk0R
return assignment < holder, T > ( * this , t); \Z-T)7S
} kRo
dC(f
@
55MrsiW
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 _\hZX|:]
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 G=W!$(:
YhYcqE8
return l(rhs) = r; 0OO$(R*
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 Dj}n!M`2I
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: .[%em9u
+b"RZ:tKp
template < typename Tp > bwR_ uF
class constant_t Q?-HU,RBO
{ +ntrp='7O7
const Tp t; aG.j0`)%
public : 7p%W)=v
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} knrR%e;
template < typename T > 6FNs4|(d
const Tp & operator ()( const T & r) const ++d(}^C;
{ dznHR6x
return t; -Zx
hh
} 1t haQ"
} ; /fC@T
=+9.X8SP
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ]#=43
下面就可以修改holder的operator=了 H=Rqr
xP%`QTl\
template < typename T > 9v>BP`Mg
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const g^ZsV:D
{
@ c,KK~{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); B f33%I~
} '2mR;APz
}6ObQa43
同时也要修改assignment的operator() Rp$t;=SMD
F4'g}yOLd
template < typename T2 > qI;"yG-x-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } X_GR{z%
现在代码看起来就很一致了。 hT4u;3xE
gdkl,z3N3
六. 问题2:链式操作 q$FwO"dC
现在让我们来看看如何处理链式操作。 bh9rsRb}O
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 r \+&{EEG
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 BayO+,>K
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ;AMbo`YK[
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct os6p1"_\f
"D0:Y(\
template < typename T > dzJ\+
@4
struct result_1 np3$bqm
{ V\Oe ]w
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; e+jp03m\W
} ; ~wG.'d]
M,xhQ{eBY
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: !R*%F
,FRFH8p
template < typename T > l9"4"+?j<
struct ref ,4W|e!
{ ^2Sa_.
typedef T & reference; qj*IKS
} ; <tkxE!xF`J
template < typename T > AffVah2o:
struct ref < T &> BzBij^h
{ *lHI\5
typedef T & reference; @i'24Q[6
} ; :K&>
62lG,y_L
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: i(DoAfYf/q
<cu? g
template < typename T > Q79& Q04XN
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Z*
eb
{ 5sJi- ^
return l(t) = r(t); Pw:(X0@
} [U+6Tj,
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。 fy|ycWW>8
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ^Q!qJav
3C'`c=
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 /3|uU
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: wq&|V
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;%"YA
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 c@u)m}V
最后的布局是: i!8 o(!I
Add o('W2Bs-o
/ \ <hlH@[7!
Divide 5 Y"qKe,
/ \ 0l-m:6
_1 3 ghvF%-."1
似乎一切都解决了?不。 DVCO(
fz
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。 L B`=+FD
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。 }G^Bc4@b
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: 0CXh|AU
p\lS)9
template < typename Right > L~e\uP
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 2q}M1-^
Right & rt) const &_X6m0z
{ |lH~nU.*
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); A*l(0`aWq
} &t)dE7u5
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 c\GJfsVk
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。 K"'W4bO#7
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。 &8!*u3
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。 ERxA79
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。 +N0V8T%~z.
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? _Eq*
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: =hE5 ?}EP+
(ov=D7>t0
template < class Action > }'HJV B_
class picker : public Action :%GxU;<E{
{ oXw} K((|
public : 5G.A\`u%
picker( const Action & act) : Action(act) {} =L_L/"*rel
// all the operator overloaded 4^H(p
} ; 5`m RrEA
x17cMfCH%
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。 ,a_F[uK
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: &W/C2cpmR
=XWew*
template < typename Right > B"N8NVn
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const f:5(M@iO.
{ R_4]6{Rm
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); kIS&! V
} `jY*0{
:UjHP}s
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > PMr
{BS
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。 Hb&-pR@e\?
`_{'qqRhe
template < typename T > struct picker_maker 3md yY\+&
{ )W^Wqa8mG|
typedef picker < constant_t < T > > result; s=`1wkh0
} ; }9T$ XF~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > G'c!82;,?
{ ]p3hq1u3&
typedef picker < T > result; $LUNA.
} ; h>B>t/k?
2^ 'X
下面总的结构就有了: 2!QS&i
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ?_9cFo59:
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 |
>xUgpQi
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 :CEhc7gU
至此链式操作完美实现。 >W2Z]V
G
hH0-g{-
75vd ]45as
七. 问题3 hg7`jE&2
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ;w1?EdaO
':yE5j
template < typename T1, typename T2 > Zyqh
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const vPuPSE%M
{ xM85^B'
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ?! dp0<
} @Tmqw(n{
` c~:3^?9d
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: *LJN2;
BBw]>*
template < typename T1, typename T2 > 'qBg^c
struct result_2 k)\Yl`4au
{ ~ar8e
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Z[8{V
} ; pK O\tkMJ
vGWX= O
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? btb-MSkO
这个差事就留给了holder自己。 V.J[Uwf
d#7 z
N
MNip;S_j
template < int Order > i}Ea>bi{N
class holder; w2y{3O"p=
template <> KfJF9!U*?
class holder < 1 > mMO:m8W
{ Cec!{]DL&
public : YBQO]3f
template < typename T > N(mhgC<O
struct result_1 -[OGZP`8
{ *1iJa
typedef T & result; +GMM&6<
} ; K9
template < typename T1, typename T2 > '/
3..3k
struct result_2 NwM =
{ -WP_0
typedef T1 & result; u{=(]n
} ; 0hcrQ^BB!b
template < typename T > Q%~b(4E^7P
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {>>ozB.
{ p"ht|x
return (T & )r; [>#?C*s
}
04NI.Jv
template < typename T1, typename T2 > !$hrK6o
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const `9b/Q
{ k{Yj!C>
#
return (T1 & )r1; 4VLrl8$K
} cF_`m
} ; 5{qFKo"g@,
[r_,BH\nu
template <> m *8[I
class holder < 2 > l){l*~5zl2
{ C)`ZI8
public : 1g{`1[.QO
template < typename T > 0rY<CV;fZ
struct result_1 9ZUG~d7_
{ JE,R[` &
typedef T & result; E,E:W uB
} ; :
:8UVLX
template < typename T1, typename T2 > csT_!sII
struct result_2 u$x HiD
{ P:t|'t
typedef T2 & result; _={*<E
} ; ^dH#n~Wx0
template < typename T > )K>XLaG)
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const x- ) D@dw<
{ \^SL Zhe
return (T & )r; a^i`DrX
} /Q5pAn -u
template < typename T1, typename T2 > -wlob`3
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const =UA-&x@
{ \tLJ( <8
return (T2 & )r2; @5Q}o3.zA-
} ^#e:q
} ; .z7XYmv
wIuwq>
F>2t=r*9
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> >。 1t=Y+|vA9
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: (:].?o
首先 assignment::operator(int, int)被调用: bG67TWY)
?I)-ez
return l(i, j) = r(i, j); ~|@ aV:k
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ~;#J&V@D
\ntmD?kA
return ( int & )i; )ruC_)
return ( int & )j; r|cl6s!P
最后执行i = j; U#1T
HO`
可见,参数被正确的选择了。 pmB}a7
ja70w:ja
MX6*waQ-<
+jO1?:Lr
B`<(qPD
八. 中期总结 #*#4vMk<
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: +[`N|x<
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 )mxY]W+
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 neJNMdv@T
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor g}|a-
fGb(=l
6G7B&"&
z,}1K!
c>{X(Z=2
]ms#*IZ
九. 简化 )<9g+^
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。 ~-lIOQ.v
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Tz+2g&+
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: $&nF1HBI4