一. 什么是Lambda iQ2}*:Jc$
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
jwLZC
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, 8:S+*J[gSn
{t!
&x:
V;CRs\aYf
"mE/t (
class filler i!UT =
{ E24}?t^|
public : F[jqJzCz
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} k1yqerA
} ; IOC$jab@
`5Z'8^
/!t:MK;
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: DxN\ H"
cc`u{F9
/&47qU4PJ
wVI_SQ<8V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); _s0)Dl6K
(
[a$Z2m
A ep](je
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 OMo /a%`
|k]]dP|:'
WwWOic2
os;94yd)
二. 战前分析 )[UYCx'
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。 -W@nc
QL}
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 K+ M\E[1W
N\. g+ W
"'Gq4<&y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); F,VWi$Po\N
/* --------------------------------------------- */ \/SOpC
vector < int *> vp( 10 ); #l-zY}&
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); D'ZUbAh!
/* --------------------------------------------- */ .9z}S=ZK
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); kRwY#
/* --------------------------------------------- */ bk=;=K
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); dZ*&3.#D5
/* --------------------------------------------- */ Y$Rte.?
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); m*iSW]&
/* --------------------------------------------- */ NPO!J^^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); EFI!b60mc
gG.+3=
xfX|AC
T1Z*>(M
看了之后,我们可以思考一些问题: Glx{Zu=
1._1, _2是什么? 6?.S-.Mr
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。 6nsb)7a
2._1 = 1是在做什么? 0i8\Lu6
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。 #pW!(tfN^a
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。 ~~"U[G1
9+<A7PM1T
<Tbl|9
三. 动工 p^w)@^f
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: P<[)
qq@;
@~7au9.V=X
=2rdbq6R
@Ss W
template < typename T > %cDTq&Q
class assignment ume70ap}m
{ T\4>4eX-
T value; _^RN$4.R>
public : O#J7GbrHO
assignment( const T & v) : value(v) {} %$)Sz[=
template < typename T2 > LB$0'dZU
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } yD!GgnW
} ; 7iv g3*
ER&\2,fZ
Ji=`XsV
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 mrKIiaU<J
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ${ DSH
k'e1ZAn
#^|2PFh5
8~.8"gQ
class holder |7Z}#eP//
{ %Rr_fSoV
public : !,b&e
template < typename T > MZX@Gi<S[
assignment < T > operator = ( const T & t) const C~.\2D`zy
{ cR55,DR,#W
return assignment < T > (t); xi,fm
} 5BLBcw\;
} ; ?l
@=}WN
? uP5("c
i~<.@&vt
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: &"Cy&[
x2b
t^!t.
static holder _1; Ag(JSVY
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 \7$"i5
`GY]JVW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); qn{9vr
而不用手动写一个函数对象。 EUgKJ=jw
Dcs O~mg
#-"C_~-MH
pR`nQM-D
四. 问题分析 d:]ZFk_*
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。 T(cpU,Q
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。 %7\l+g,
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 O\]{6+$fm!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 &i`(y>\
下面我们可以对这几个问题进行分析。 wF6a*b@v
#X{lV]Z
五. 问题1:一致性 [(8s\>T
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| <5FGL96
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 CL(D&8v8~
||7x51-yj
struct holder ,%V%g!6{
{ Y|/,*,u+
// r`+G9sj3U
template < typename T > =&.9z 4A
T & operator ()( const T & r) const Pu BE=9,
{ u-.nR}DM_
return (T & )r; ].QzOV'
} `!ja0Sq]U
} ; y<v-,b*
fp 3`O9+em
这样的话assignment也必须相应改动: JV!F<
EQHCw<e
template < typename Left, typename Right > G-vkkNj%e
class assignment +^rt48${ y
{ (Nf!E[}Z
Left l; wYv++<
z
Right r; %(\et%[]
public : K}whqe]j
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Rp_ }_hL0
template < typename T2 > 0Uk;&a0s
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 8f'r_,"
} ; v.,D,6qZ
1^WkW\9kO
同时,holder的operator=也需要改动: LiGECqWBa'
0NvicZ7VR
template < typename T > Z)u_2e
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const +& M>J|
{ x;STt3M~
return assignment < holder, T > ( * this , t); !0KNA1w,
} =C)2DW J1
e>uq/|.!
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。 Wh%@
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ojIGfQV
"%rU1/@#
return l(rhs) = r; J~ z00p`E
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。 69odE+-X.
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: V4,\vgGu
3
}#rg
template < typename Tp > mGw*6kOIS
class constant_t >ca`0gu
{ w,!N{hv(
const Tp t; _.W;hf`
public : h}oV)z6
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} %;GRR (K
template < typename T > #Qu|9Q[QH
const Tp & operator ()( const T & r) const +ul.P)1J6
{ ,C'mE''x
return t; `yRt?UQRS
} rPifiLl A>
} ; R!x
/,6,_
PnI_W84z
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 +' .o
下面就可以修改holder的operator=了 {Sc*AE&Y
.SWn/Kk
template < typename T > OZ<fQf.Gh}
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const QT(]S>--n
{ MBol_#H
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Fj&8wZ)v)
} [bBPs&7u
?,eq86-M
同时也要修改assignment的operator() [F,s=,S'M
xu'b@G}12
template < typename T2 > v/Xz.?a\jF
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } }ol<DV
现在代码看起来就很一致了。
G98f Bw
IfCa6g<&(
六. 问题2:链式操作 0A75)T=lQ
现在让我们来看看如何处理链式操作。 2(9~G|C.
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。 07,&weQ
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。 "haJwV6-
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。 a{kLAx[>
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Z?."cuTt
+OOmy
template < typename T > U)('}u=b
struct result_1 vC^n_
{ (~#-J7
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; _J_QB]t
} ; L^ U.h
W)odaab7
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: u&o<>d;)
bI)%g
template < typename T > lygv#s-T
struct ref q9$K.=_5
{ (^)(#CxO
typedef T & reference; };>~P%u32
} ; 'W p~8}i@
template < typename T > mbIHzzW>
struct ref < T &> (+bt{Ma
{ Lhxg5cd
typedef T & reference; ,#(k|Zztc
} ; Tnnj8I1v
{_jbFJ
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ^^[A\'
|Tk'H&
template < typename T > -9q3]nmT(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const XK@Ct eP"
{ w.-J2%J
return l(t) = r(t); TJ0;xn6o
} >ZnnGX6$(
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。 6J3<k(#:
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 'u:J
"
8+&Da
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 D[K!xq
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: edfb7prfTl
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 mfgUf
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 lnrs4s Km
最后的布局是: =n_>7@9l
Add &^F'ME
/ \ -EWC3,3
Divide 5 4FJA+
/ \ )H*BTfmt
_1 3 G;^,T/q47
似乎一切都解决了?不。 N9PEn[t@
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。 34aSRFsk*
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。 VVi3g
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: :io[9B [
>q1rdq
template < typename Right > Y]"lcr}
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const tAS[T9B
Right & rt) const -N1X=4/fg
{ {6>:=?7]R
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Pt7yYl&n7^
} v}uzUY
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 cnU()pd
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。 !/EN
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。 n,b6|Y0
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。 fa(- &;q
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。 nm@.]
"/
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? hJ*#t<.<P;
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: P,K^oz}
EnYEAjX
template < class Action > ^-qz!ib
class picker : public Action F<Z13]|
{ idY
Xv)R
public : +-MieiKv
picker( const Action & act) : Action(act) {} ;^so;>F
// all the operator overloaded 8AmB0W>e
} ; 6JE_rAab
xPP]Ro PR
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。 &bCk`]j:
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: 1<pb=H
(iu IeJ^Z
template < typename Right > 'M%uw85
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Wf-P a9
{ o65I(`
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); E{IY7Xz^>
} W,[iRmxn
6G>loNM^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > I\$?'q>
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。 wI#R\v8(`n
.;%`I
template < typename T > struct picker_maker O+ J0X*&x
{ Q^Q6|
n
typedef picker < constant_t < T > > result; mC!^`y)
} ; H:,Hr_;nC
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > p!+bn,?G
{ W$Z8AZ{E
typedef picker < T > result; .-.b:gdO(
} ; CWS]821;
cjf_,x
下面总的结构就有了: Kq}-)
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 kFQx7m
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 E[>A# l53
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 +Sg+% 8T
至此链式操作完美实现。 UkM#uKr:
r.v.y[u
;~Q`TWC
七. 问题3 N=c{@h
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 <y,c.\c!
;Bne=vjQp
template < typename T1, typename T2 > @e^(V$ap
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const NsL!AAN[V
{ dp*E#XCr1
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6MelN^\[7
} F|?}r3{aJ
C$`^(?iO/
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: NdM \RD_R
zl)r3#6hW
template < typename T1, typename T2 > w,;ox2
struct result_2 $qM&iI-l0
{ OA&r8WK3
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result;
(xMq(g
} ; !.w|+-JKO
=wFl(Q6J
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? #[sJKW
这个差事就留给了holder自己。 ,?VYrL
8k?V&J `
LBnlaH.
template < int Order > @{@)gE
class holder; ]N6UY
template <> fq !CB]C
class holder < 1 > P
B{7u
{ XPMvAZL
public : *I`Eb7
^
template < typename T > FQ]5W |e
struct result_1 @4P_Yfn
{ +D M,+{}
typedef T & result; %=i/MFGX
} ; YG6Y5j[-X~
template < typename T1, typename T2 > HK`r9frn
struct result_2 pzxlh(a9
{ ,A>cL#Oe
typedef T1 & result; yUg'^SEbLk
} ; )4jS}
template < typename T > @Qd5a(5W M
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const s"X0Jx}
{ X92I==-w
return (T & )r; nC#SnyUO
} {"\pMY'7
template < typename T1, typename T2 > X^d}eWP`I
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \d
QRQL{LL
{ qmq#(%Z <W
return (T1 & )r1; BXUd
i&'O
} "tmr
s_~
} ; JgcMk]|'
c)SQ@B@q
template <> *)Pb-c
class holder < 2 > VoNk.h"T
{ E=qfI>2U&
public : /X?%K't2r
template < typename T > ^*WO*f>y
struct result_1 5[H1nC
@C
{ 3IQ-2 X--
typedef T & result; 9oVprd>%@
} ; EP6@5PNZ
template < typename T1, typename T2 > KZ|p_{0&
struct result_2 ^-s`$lTp
{ ;:P}s4p
typedef T2 & result; /@6T~XY M
} ; h{CyYsQ
template < typename T > CA,2&v"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const P8GGN
{ uEyu s96 +
return (T & )r; slV]CXW)t
} 2.&%mSN
template < typename T1, typename T2 > *r iWrG
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const f&C]}P
{ aTE;Gy,W
return (T2 & )r2; O,0j+1?
} `&SBp }W}
} ; cd)}a_9
{$v>3FG
?cgb3^R'
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 +xBM\Dz8
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: !$fF3^8-
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 4JGU`L:~
)D
':bWP
return l(i, j) = r(i, j); h~k+!\
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) _j|U>s
HvW6=d(#
return ( int & )i; '.#3h$d
return ( int & )j; b%e7rY2
最后执行i = j; 'PdUSv|lH
可见,参数被正确的选择了。 .a}!!\@
BU=Ta$#BZ
u$+nl~p[&
NzbHg p
MDfC%2Q
八. 中期总结
u{|^5%)
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: DK(8Ml:k
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Ikgia:/-Z
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 i/F].Sag
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor (2r808^2
3s Mmg`
\n0MqXs#
%?!TqJT?{
Z+Ppd=||,
BzI(
九. 简化 Klqte*!
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 wK Je^7
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 [)nU?l
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: 64f6D"."
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 tj[-|h
+-*/&|^等 ,w7ZsI4:[
2. 返回引用。 d6~d)E
=,各种复合赋值等 0mI4hy
3. 返回固定类型。 I.)9:7
各种逻辑/比较操作符(返回bool) {AAi x
4. 原样返回。 _"- ,ia[D
operator, tDNo; f
5. 返回解引用的类型。 (0zYS_mA
operator*(单目) l# |M.V6G
6. 返回地址。 &F|Wk,y
operator&(单目) [P%'p-Hg_
7. 下表访问返回类型。 910N1E
operator[] \$2zF8
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Xvn \~Vr
operator<<和operator>> 3y-P-NI~=
E# *`u
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 dlc'=M
例如针对第一条,我们实现一个policy类:
ex)U'.^
B[[1=
template < typename Left > !tuK.?q|l
struct value_return 4j~WrdI*
{ A|BN>?.t
template < typename T > WmZ,c_
struct result_1 *5R91@xt
{ c_syJ<
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ~JohcU}d
} ; ]H=P(Z-
\-I)dMm[
template < typename T1, typename T2 > ;;n=(cM|z
struct result_2 A]m_&A#
{ M[KYt"v
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; [I%'\CI;
} ; HG[gJ7
} ; txy'7t
KPdlg.
aN~x3G
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait anFl:=
qgsw8O&
下面我们来剥离functor中的operator() k 1;Jkq~
首先operator里面的代码全是下面的形式: [N1[khY`
UQCond+K
return l(t) op r(t) *AA78G|
return l(t1, t2) op r(t1, t2) No(S#,vJ;
return op l(t) 5
OF*PBZ
return op l(t1, t2) q??N,
return l(t) op
Ox+}JB
[
return l(t1, t2) op ( ALsc@K
return l(t)[r(t)] pOIfKd
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] P%Wl`NA P
t}Kzh`
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: ??XtN.]7
单目: return f(l(t), r(t)); wm/>_
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); K${CHKFf
双目: return f(l(t)); l[{Ci|4
return f(l(t1, t2)); o)Nm5g
下面就是f的实现,以operator/为例 5C"A*Fg?;
2T}FX4'
struct meta_divide *mfPq"/
{ /n#t.XJY*
template < typename T1, typename T2 > K]dX5vJw'
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) *G;D u`;
{ dV+GWJNNE
return t1 / t2; W^dRA xVX
} T( sEk
} ; 5fud:k
gPr&