一. 什么是Lambda i(S}gH4*o
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 |bk$VT4\
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, xp]_>WGq
9y;zk$O8
jjg[v""3|
"X-"uIc
class filler 4z^VwKH\ j
{ &C6*"JZ4
public : !PEP`wEKdp
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} e @|uG %
} ; -D
wO*f
Ots] y
N. 0~4H
%U
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: \WM"VT
9Hs5uBe
dMa6hI{k
vgKdhN2kI
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); -K0!wrKC
F>aaUj
}J_#N.y
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Y58et9gRO
f}Uf*Bp
(q=),3/<pU
[9~6, ;6
二. 战前分析 nOU.=N
v`
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。 *YP;HL
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 H) q_9<;
{BD G;e
x,QXOh\a
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sE\Cv2Gx
/* --------------------------------------------- */ 8LGNV&Edg
vector < int *> vp( 10 ); OJ<V<=MYZ
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); l' Uj"9r,
/* --------------------------------------------- */ {\n?IGP?wd
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); (CY#B%*
/* --------------------------------------------- */ g 4lk
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); p9~$}!ua
/* --------------------------------------------- */ }%S#d&wh$_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); w!52DBOe+
/* --------------------------------------------- */ <!PbD
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); p ^ )iC&*0
4u7^v1/
h:<?)g~U
+.66Ky`|[
看了之后,我们可以思考一些问题: WdT iao,r
1._1, _2是什么? Z (C0+A\
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。 = Tq\Ag:
2._1 = 1是在做什么? GNoUn7Y
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。 uX+ YH
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。 8]l(D
2@|,VN V6~
v=E(U4v9e
三. 动工 7K
/qu J
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: c{})Z=
F;Bq[V)R
SH6T\}X:
??,/85lM
template < typename T > VB}^&{t)!
class assignment Ev0=m;@_
{ u56WB9Z
T value; "_n})s
f
public : <!derr-K
assignment( const T & v) : value(v) {} I$oqFF|D
template < typename T2 > rch Kr w
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } __,F_9M
} ; !OMl-:KUzE
,y[8Vz?:
lZ?YyRsa6&
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 nc.:Wm6Mj
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Z^#u n
uMK8V_p*?
*JiI>[
qR9!DQc'
class holder I"HA(
+G
{ X>U _v
public : 0G(|`xG1q
template < typename T > oVIc^yk5a
assignment < T > operator = ( const T & t) const R dLk85<n
{ `':G92}#
return assignment < T > (t); 5a2+6N
} NwNjB
w%v
} ; g\G}b
h<bCm`qj
b$>1_wTL
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: Lm'+z97
oh,29Gg
static holder _1; FA}y"I'W
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ? w@)3Z=u
9~4@AGL
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); QNGp+xUHJ9
而不用手动写一个函数对象。 E*d UJ.>
#S"s8wdD
\qtdbi|Y
$ <Mf#.8%
四. 问题分析 jm,c Vo
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。
Jj~|2Zt
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。 | *N;R+b
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 N@V:nCl
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 LU+}iA)
下面我们可以对这几个问题进行分析。 RSup_4A
pg{cZ1/
五. 问题1:一致性 L`"V_
"Q#0
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?| T%SK";PAU$
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 u0nIr9
-v$ q8_$m"
struct holder $Ao'mT
{ *Nur>11D
// K<MWiB&
template < typename T > DC2[g9S>8@
T & operator ()( const T & r) const B{>x
{ 4++p K;I
return (T & )r; =-/sB>-C
} eZ{Ce.lNR
} ; bmO(tQS$5
I6PReVIb
这样的话assignment也必须相应改动: qD,/Qu62
Dw<bLSaW&
template < typename Left, typename Right > xMFEeSzl>S
class assignment sCE%./h]
{ )a<MW66
Left l; {TaYkuWS
Right r; F[>Y8e<[
public : >S]"-0tGD=
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} D+{&zo
template < typename T2 > ~#7uNH2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } \6%`)p
} ; |mT1\O2a
o^b5E=?>C
同时,holder的operator=也需要改动: >tm4Rg~y
PCnu?e3F
template < typename T > g9j&\+h^
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const wxy@XN"/i+
{ -Sa-eWP
return assignment < holder, T > ( * this , t); z-h?Q4;
} $f+cd8j?o
2Q;rSe._`
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 6xx(o
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Wu'9ouw!
A[uB)wWsn
return l(rhs) = r; |qpFR)l
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 .TNGiUzG
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: lLLPvW[Q
WG
+]
template < typename Tp > ~bz$] o-<
class constant_t 9(lcQuE9
{ RV%)~S@!R
const Tp t; sW76RKX8
public : 4<Kxo\\S
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} M9?f`9
template < typename T > F:8@ ]tA&
const Tp & operator ()( const T & r) const ;9'] na
{ d=dHY(ms]
return t; eu'~(_2
} &ju.5v|
} ; dnkHx
Vze vOS
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 3rX40>Cs8
下面就可以修改holder的operator=了 dF*M"|[
S" (Nf+ux
template < typename T > v7,- Q*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const >96+s)T%;
{ ~cV";cD5
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); K$O2
Fq@y
} zF(abQ0
3Pvz57z{
同时也要修改assignment的operator() gZ8JfA_\R(
. Ctd$
template < typename T2 > &a)d,4e<M
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } +'_ peT.8
现在代码看起来就很一致了。 ,\N4tG1\
S3&n?\CO:
六. 问题2:链式操作 FsS.9
`B
现在让我们来看看如何处理链式操作。 U65oh8x
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。 V!NRBXg
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。 )>@%;\qV
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。 OxUc,%e9P
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct \\3 ?ij:v
Vq'n$k}
template < typename T > HubK
struct result_1 tJA"BP3f
{ t:b}Mo0
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; W
j`f^^\HJ
} ; @WiTh'w0
t<"%m)J
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: &"7+k5O
KY?ujeF
template < typename T > fNBI!=
struct ref {7%(m|(
{ wCu!dxT|,
typedef T & reference; rPt
} ; tlB-s;
template < typename T >
n%Oq"`w4
struct ref < T &> >E3-/)Ti
{ ppGWh
typedef T & reference; uPE Ab2u="
} ; p{+F{e
r_kaS
als
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: f,ZJFb98
q/ (h{cq
template < typename T > ,aIkiT
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Yv0y8Vz@
{ ?Ezy0>j
return l(t) = r(t); wN^^_
} Ao#bREm
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 {
SDnVV
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 C_yNSD
HE>V\+
AL
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 |9X2AS Qu
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ,
K:d/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 tH#t8Tq5x
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 HMDuP2Y
最后的布局是: 6cD3(//
Add ^f9@=I
/ \ /:"^,i\t
Divide 5 ]c
bXI
/ \ g:@4/+TSt
_1 3 F>GPi!O
似乎一切都解决了?不。 [f}`reRlZ
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 5.D0 1?k
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Pq@-`sw
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 1
1(GCu
r$Ni>[as
template < typename Right > C|[x],JCS
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const #Nad1C/]
Right & rt) const ^Cvt^cI
{ G( BSe`f
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); v6Wz:|G/u
} 'K01"`#
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Z#D*HAd`
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。 8kvA^r`
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。 >V4r'9I
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。 ?*ZQ:jH
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。 I
zVc
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? #2"'tHf4
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: Y0J:c?,
+SW|/oIU
template < class Action > MWK)Bn
class picker : public Action @"wX#ot
{ /a)^)
public : C6h[L
picker( const Action & act) : Action(act) {} :qzhkKu
// all the operator overloaded Q)lD2
} ; PZO.$'L|7
%oWG"u
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 \DWKG~r-%
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: )>"pm{g2
_~*j=XR s
template < typename Right > J3e'?3w[
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const %9J:TH9E)
{ |_QpB?b
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5NhAb$q2Y
} qq3/K9 #y
W39J)~D^@
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 6q!Q([D_
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。 o6:bmKWE
GG-b)64h`
template < typename T > struct picker_maker [:qJ1^U U
{ h7@%}<%
typedef picker < constant_t < T > > result; RGkV%u^
} ; f.bw A x
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 0AF,} &$
{ TBky+]p@
typedef picker < T > result; =#[t!-@
} ; Q7{{r&|t&
s,kY12<7m
下面总的结构就有了: p=#/H,2
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。 b5I 8jPj4c
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。 gm=C0Sp?
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 wy{sS}
至此链式操作完美实现。 ;PnN$g]Q
R3.w")6
]6s/y
七. 问题3 :SWrx MT
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 /-t!)_zvw
l*huKSX}
template < typename T1, typename T2 > eVB43]g
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const y>#kT
{ \I^"^'CP
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ~4O3~Y_+GN
} hl] y):
SuNc&e#(
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: 33wVP}e5
uXvE>VpJG
template < typename T1, typename T2 > GN=8;Kq%
struct result_2 J!G92A~*]
{ B&<5VjZ\
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; MgN;[4|[h
} ; z`I%3U5(
,?IXfJ`c
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? r`.Bj0
这个差事就留给了holder自己。 pGF;,h>
}_}
bj0<A
template < int Order > Ciz,1IV
class holder; 5w{U/v$Z
template <> (FZ8T39
class holder < 1 > 9ZR"Lo>3e+
{ b$_qG6)IJO
public : p@O,-&/D
template < typename T > 6ecx!uc$
struct result_1 )8'v@8;-
{ 7GG`9!l]D
typedef T & result; UH;bg}=8
} ; a`]ZyG*P
template < typename T1, typename T2 > {7MY*&P$,
struct result_2 v6| [p
{ ,\#j6R,{I
typedef T1 & result; mG@[~w+
} ; RlU ?F
template < typename T > -*hPEgcV9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const `ZO5-E
{ .6y*Z+Zg
return (T & )r; lbw+!{Ch
} 2
e#"JZ=
template < typename T1, typename T2 > l0qHoM,1Y[
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const rc7c$3# X
{ =|dm#w_L"
return (T1 & )r1; 6#Y]^%?uy
} <<Y]P+uU
} ; #pPR>,4
E[=&6T4
template <> w (X}
class holder < 2 > *CAz_s<
{ .y_ ~mr&d
public : )"|wWu
template < typename T > CdcBE.%<
struct result_1 p]?eIovi
{ Dq9f Fe
typedef T & result; hkV*UH{
} ; W<[7LdAB
template < typename T1, typename T2 >
j0O1??
struct result_2 /L2n
~/
{ mo=@Zt
typedef T2 & result; GukwN]*OY
} ; VkJTcC:1
template < typename T > X7:Dw]t
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const dS \n2Qb
{ 3-n&&<
return (T & )r; \$t{K
} 3[l\l5'm8
template < typename T1, typename T2 > ";jAH GbO
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const D&@ js!|5
{ b
j<T`M!
return (T2 & )r2; NNTrH\SU#
} t\!5$P
} ; 0"+QWh
QJ>=a./
cIkA ~F
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> >。 UYQ@ub
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: /k^j'MMQs6
首先 assignment::operator(int, int)被调用: I\rjw$V#
9ao?\]&t
return l(i, j) = r(i, j); f(K1,L:&7
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ;ByCtVm2
#q9BU:
return ( int & )i; |Xd&aQ
return ( int & )j; sk0/3X*Q%
最后执行i = j; vp d!|/
可见,参数被正确的选择了。 gu'+kw
~)X;z"y%b
|8x_Av0
i12G\Ye
j.+,c#hFo
八. 中期总结 IBNb!mPu%
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: #.Ly
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 4"{g{8
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 //Xz
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor v]KPA.W
YY'[PXP$Y
YYkgm:[
d)XT> &
r8FAV9A
^<v.=7cL0
九. 简化 Qt^6w}&
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 eU-A_5
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 FgPmQ
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: zx"0^r}
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 |BGzdBm^x:
+-*/&|^等 |Q?$n3-f"
2. 返回引用。 5`K'2
=,各种复合赋值等 qPhVc9D#
3. 返回固定类型。 U^-J_yq
各种逻辑/比较操作符(返回bool) [ei5QSL |
4. 原样返回。 o5Knot)Oy
operator, [r'hX#
5. 返回解引用的类型。 x0TE+rf5
operator*(单目) Gt !Hm(
6. 返回地址。 fKua om9
operator&(单目) I4c%>R
7. 下表访问返回类型。 )_kEy>YscZ
operator[] 4L,&a+)
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Xa&:Hg<
operator<<和operator>> AJzm/,H
lWf(!=0m
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。 ?:zMrlX
例如针对第一条,我们实现一个policy类:
Ox'KC
% %2~%FVb
template < typename Left > u/\Ipk/
struct value_return otP2qAI
{ {>brue*)
template < typename T > dQ<e}wtg
struct result_1 x}reeqn
{ Ja@?.gW
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; C|QJQ@bj0
} ; :+ "JPF4X
kYd=DY
template < typename T1, typename T2 > rj5)b:c}
struct result_2 h 'is#X 6:
{ ^AUQsRA7PZ
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; #`"B
YFV[E
} ; ;:Kc{B.s
} ; q93V'[)F
i{J[;rV9
$,T3vX]<
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait .3
^*_
q#Ik3 5
下面我们来剥离functor中的operator() Yc(lY
N
首先operator里面的代码全是下面的形式: _ `7[}M~
Pp|pH|(n ,
return l(t) op r(t) fK=vLcH
return l(t1, t2) op r(t1, t2) gti=GmL(L
return op l(t) $ g#d1u0q
return op l(t1, t2) ZPY84)A_}
return l(t) op e9B$"_ &2
return l(t1, t2) op !|Y&h0e
return l(t)[r(t)] ?
5hwz
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] bHHR^*B
x1:1Jj:
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: +OUM 4y
单目: return f(l(t), r(t)); ZJ_P=
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); b55G1w
双目: return f(l(t)); q?&J