一. 什么是Lambda 7!1S)dup
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 z/-=%g >HA
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, d]9z@Pd
2/?|&[
ch]IzdD
Q &8-\
class filler }jXfb@`K
{ O-wzz
public : x2xRBkRg=
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} sJZiI}Xc
} ; [agMfn
,tFg4k[
YK_7ip.a[
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: )~>YH*g
L(-4w+
dtDFoETz
/ZX}Nc g
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); '1[Ft03
cAw/I@jG
=;L|gtH"
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 4W75T2q#
2?C)&
j 7B!h|
)%TmAaj9d
二. 战前分析 F ,kZU$
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。 8*X4\3:*N
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 &=[WIG+rk
}MySaL>
w0.
u\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ".%k6W<n
/* --------------------------------------------- */ g)-te+?6
vector < int *> vp( 10 ); 5P bW[
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); PCA4k.,T
/* --------------------------------------------- */ HS$r8`S?)
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 3]hWfj1m2
/* --------------------------------------------- */ :FF=a3/"6
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 4euO1=
/* --------------------------------------------- */ %#+Hl0,Tt
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); u8^lB7!e/
/* --------------------------------------------- */
7GGUV
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); *CMx- _
BT$_@%ea&
t20K!}D_
TeQV?ZQ#}
看了之后,我们可以思考一些问题: 7zMr:JmV
1._1, _2是什么? %T[]zJ(
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。 SbZ6t$"
2._1 = 1是在做什么? /v }`l
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。 *8q.YuZ
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。 +ZYn? #IQ
!D6]JPX
!-bB559Nv
三. 动工 2wn2.\v M
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: KvSG;
4i bc
xw%0>K[
$b\P|#A
template < typename T > x-c"%Z|
class assignment bt *k.=p
{ -j(6;9"7]|
T value; _F{C\}
public : ~&O%N
assignment( const T & v) : value(v) {} =N@t'fOr
template < typename T2 > PF2nLb2-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } G$PE}%X
} ; k)u[0}
=Qq+4F)MD
BUFv|z+H
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 =a!=2VN9y
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment & kIFcd@
}u|q0>^8
9mgIUjz
^Cmyx3O^
class holder 9Flb|G%
{ H]s.=.Ki
public :
)jj0^f1!j
template < typename T > J,G
lIv.A
assignment < T > operator = ( const T & t) const QJNFA}*>
{ \v{=gK
return assignment < T > (t); V~bD)?M
} X]=t>
} ; $e\M_hp*J
(hsl~Jf
)"LJ
hLg
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: g}i61(
]_Xlq_[/r
static holder _1; V)^+?B)T
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 +p^u^a
v=k$A
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $M#>9QHhc
而不用手动写一个函数对象。 b-y
!wNO8;(
l2d{ 73h
-M2yw
四. 问题分析 4 :=]<sc,
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 a?.=V
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 @;kSx":b
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Q?T]MUY(L
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 hph4 `{T
下面我们可以对这几个问题进行分析。 h![#;>(
8fb'yjIC
五. 问题1:一致性 >7r!~+B"9'
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| zX~MC?,W1
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 l,:F
Q&&@v4L
struct holder m*;ERK
{ )+M0Y_r
// hSMH,^Io$
template < typename T > z2c6T.1M
T & operator ()( const T & r) const z~Q)/d,Ac
{ *A< 5*Db:F
return (T & )r; 07)yG:q*x
} mq[ug>
} ; BHw, 4#F1;
.
.-hAH
这样的话assignment也必须相应改动: 5r_|yu
}%z
template < typename Left, typename Right > aT<q=DO
class assignment t
Pf40`@
{ R3!t$5HG
Left l; jal-9NV)!
Right r; HThcn1u~^b
public : J;%Xfx]
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} q=G+Tocv
template < typename T2 > G`zm@QL
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } .2pK.$.
} ; 2%>FR4a
oE~RySX
同时,holder的operator=也需要改动: OTp]Xe/
6#yUc_5 \
template < typename T > j4b4!^fV
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const AEuG v}#
{
Y~Ifj,\
return assignment < holder, T > ( * this , t); H[UlY?&+
} w*!aZ,P
fatf*}eln
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。 >MK98(F
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 &?vgP!d&M
i&k7-<
return l(rhs) = r; s7EinI{^
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。 L(o15
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: e*!kZAf
V,9cl,z+
template < typename Tp > <X5fUU"+U
class constant_t 4sM.C9W
{ h1{3njdr
const Tp t; aP`P)3O6)1
public : ]HdCt 3X
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} <| &Npd'
template < typename T > ,
dp0;nkr
const Tp & operator ()( const T & r) const 5coZ|O&f8
{ _rYkis^u
return t; v}(WaO#S
} s79r@])=
} ; I l.K"ll
>f'g0g
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Ve=b16H
下面就可以修改holder的operator=了 %bfZn9_m
'n|5ZhXPB
template < typename T > &[SC|=U'M
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const kN>!2UfNS
{ Wl Sm
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Sc
} ZC}QId
FC*[*
同时也要修改assignment的operator() "]iB6
B?qjkP
template < typename T2 > 5-G@L?~Vw
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } D6^6}1WI
现在代码看起来就很一致了。 H|D.6^
pmilrZmm]
六. 问题2:链式操作 \;-|-8Q
现在让我们来看看如何处理链式操作。 :Yks|VJ1
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。 N&pCx&
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。
BB'OCN
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。 +MLVbK
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Dxxm="FQZ
D0q":WvE
template < typename T > |I|fMF2K
struct result_1 *,m;
{ XrPfotj1
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; F>cv<l
=6l
} ; @K]|K]cby
]fD}
^s3G
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: 8*fv'
:eg4z )
template < typename T > )Wox Mmz
struct ref Z<4AL\l 98
{
^I)N. 5
typedef T & reference; _~
&iq1
} ; <9%R\_@$H
template < typename T > j)GtEP<n#
struct ref < T &> BSMwdr
{ Yuc> fFA
typedef T & reference; c=+!>Z&i$G
} ; )0R'(#
\G3rX9xG
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: QwJyY{O`
d M-%{
template < typename T > -GgA&dh
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const YDFyX){
{ (khL-F
return l(t) = r(t); &f;K}WO
} 5^KWCS7@
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。 OC:T
O|S:4
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3Hm/(C
4g7)i L^#~
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 Y#3c }qb
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ,u
g@f-T
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 AFfAtu
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0AV c
最后的布局是: 2dzrRH
Add A= {UL
/ \ p6WX9\qS(
Divide 5 ,=mS,r7
/ \ (3&?w y_l
_1 3 -)/$M(Pu"
似乎一切都解决了?不。 h65-s
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 -Vhw^T1iV
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 &=k,?TJO>
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: =kqt
4NIRmDEd
template < typename Right > i2^>vYCsl
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const vA.MRu#
Right & rt) const 0<B$#8
{ tdaL/rRe
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); y#$CMf
-q^
} /^|Dbx!u
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 R^e.s
-
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 s|B3~Q]
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 HX{`VahE
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 =6#Eh=7N
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 IyPnp&_
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 2,P^n4~A?w
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: -7(@1@1
I,'k>@w{s
template < class Action > jMDY(mwt
class picker : public Action <1COZ)
{ 9RI-Lq`
public : HOh!Xcu
picker( const Action & act) : Action(act) {} CWP2{
// all the operator overloaded .k
\@zQ|Ta
} ; u=_mvN
g|Fn7]G
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 Dl8;$~
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: ,<p}o\6
u4|$bbig
template < typename Right > U!Z,xx[]
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const A$xF$l
{ (/*]?Ehd
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); % -e 82J1
} ~**.|%Kc
AjgF6[B
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > -8rjgB~."/
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。 t3Y:}%M
}I6vqG
template < typename T > struct picker_maker R n*L
{ f:.I0 ST
typedef picker < constant_t < T > > result; X/M4!L}\
} ; QS]1daMIK<
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > }<y7bqA
{ @[i4^
typedef picker < T > result; *``JamnSO
} ; 3gj+%%!G\
;?g6QIN9
下面总的结构就有了: 0tB0@Wj
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。 y%bF&
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。 h.s+)fl\
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Vr1<^Ib
至此链式操作完美实现。 e2W".+B1
r!a3\ep
H_<C!OgR
七. 问题3 gH3vk $WS
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 {LQ#y/H?
@<]Ekkg
template < typename T1, typename T2 > h@WhNk7"xa
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ?r+-
{ {Wu$YWE*sx
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); yw3$2EW
} ye? 'Ze
;x1PS
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ; XN{x
:7?FF'u
template < typename T1, typename T2 > X=8{$:
struct result_2 M b1sF
{ j;iAD:nf
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; o"BoZsMk
} ; WYYa/,{9.
"E?2xf|.
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? Hi`//y*92H
这个差事就留给了holder自己。 <)-Sj,
,47Y9Kz9
;<2G
template < int Order > 4G>H
class holder; e?ly H
template <> cFnDmtI:
class holder < 1 > l.bYE/F0&
{ pWsDzb6?%
public : Gvqxi|
template < typename T > T+K):ug
struct result_1 YgV817OV
{ zXxT%ZcCj
typedef T & result; 4l45N6"
} ; 6Yxh9*N~]
template < typename T1, typename T2 > z}ddqZ27G$
struct result_2 zEy N)
{ 8j %Tf;
typedef T1 & result; Gc; {\VU
} ; 6N
S201o
template < typename T > s^uS1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const K]"#C
{ C"T;Qp~B
return (T & )r; aL&7 1^R,
} qd)/9*|Jl
template < typename T1, typename T2 > krvp&+uX
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const .KUv(-
{ Z%/=|[9i
return (T1 & )r1; }YNR"X9*)/
} NI
[
pp`
} ; hPePB=
zvH8^1yzG
template <> :Ab%g-
class holder < 2 > T7u%^xm
{ M`i\VG
public : m~d]a$KQ5-
template < typename T > D(RTVef
struct result_1 m6CI{Sa](l
{ aV|hCN~
typedef T & result; YLv'43PL
} ; L(-b@Joh
template < typename T1, typename T2 > m?fy^>1
struct result_2 '*w00
{ sN2p76KN
typedef T2 & result; DBD%6o>]K
} ; pd;br8yE$@
template < typename T > z hRB,1iG
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {~sDYRX
{ giIWGa.a+
return (T & )r; d>fkA0G/9!
} P} SCF
template < typename T1, typename T2 > 72y0/FJ
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const z>Hgkp8D"
{ $gy*D7
return (T2 & )r2; X4E%2-m@'
} a8iQ4
} ; f@DYN!Z_m
h=kh@},
`A^"%@j
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> >。 C:C}5<fkx
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: DB:+E|vSD
首先 assignment::operator(int, int)被调用: /.M N
!0@Yplj
return l(i, j) = r(i, j); U4-g^S[
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ZUR6n>r
D.Q=]jOs
return ( int & )i; M#VE ]J
return ( int & )j; /ZPyN<@
最后执行i = j; o.G!7
可见,参数被正确的选择了。 <55g3>X
C/kW0V7
"C19b:4H
|J}Mgb-4
L0@SCt
八. 中期总结 s4SG[w!d
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: -Sx\Xi"<o=
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 7~aM=8r
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 #Xb+`'
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor &<J[Q%2
2.zsCu4lj.
+W\f(/ q0
Vle@4]M\
sq[iY
x`mN U
九. 简化 {{MRELipW
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。 DRgTe&+
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ul2")HL];
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: &twf,8
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 PGBQn#c<