一. 什么是Lambda @c<3b2
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 }RmU%IYc
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, c%&:6QniZ
: y5<go8e
zY,r9<I8_x
1jy9lP=
class filler lmfi
{ <(-3_s6-
public : v1%uxthW
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} lD"(MQV@0
} ; 4zJtOK?r"
sB^<6W!`(
q>mE<
(-M
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: *Txl+zTY
gA:5M
t: #6sF
&e;=cAXG
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); O)ME"@r@:
EX?MA6U
o'W5|Gy
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 qW!]co
ZCB_
4g
:>[q
^@qvl%j
二. 战前分析 ~.UrL(l=
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。 4$*%gL;f^
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 \
C+(~9@|
$)RNKMZC}A
{@tv>!WW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); d!:6[7X6
/* --------------------------------------------- */ <^zHE=h"
vector < int *> vp( 10 ); 9G+V;0Q
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); h"_~7jq"
/* --------------------------------------------- */ p;W.lcO`0
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); `FsH}UPu
b
/* --------------------------------------------- */ d4nH_?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Iz
;G*W18
/* --------------------------------------------- */ 6xZ=^;H
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); -5T=:2M
/* --------------------------------------------- */ q-c=nkN3
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); B<~ NS)w
{K9/HqH
,4ei2`wV
nWMmna.5
看了之后,我们可以思考一些问题: ( YQWbOk
1._1, _2是什么? (rkU)Q
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ^NX"sM0g
2._1 = 1是在做什么? f|R"uW +
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 Sp}tD<V
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 M-;4
RLSc+kDH_
/w]!wM
三. 动工 2 Sh
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: O9g{+e`
w^LuIbA
Ay
!G1;
Rr!Y3)f;
template < typename T > -.T&(&>^
class assignment \mV'mZ9>
{ "m ^'
&L
T value; ^b 7GH9<&
public : G 2mX;
assignment( const T & v) : value(v) {}
jq+A-T}@
template < typename T2 > k%E2n:|*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } A0fFv+RN3
} ; A0Zt8>w
ND5`Q"k
:_@JA0n
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 'w14sr%
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment me'd6!O9-
v*9<c{a
(XXheC
P1NJ^rX
class holder BSkDpr1C
{ P0$e~=Q^4
public : Y&
F=t/U2
template < typename T > JR@.R
,rII
assignment < T > operator = ( const T & t) const $DZHQH
{ cetvQAGXY
return assignment < T > (t); o ,xxh
} MSV2ip3
} ; TARXx>
E"L2&.
jZ%TJ0(H
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: fPR$kch
f}L*uw
static holder _1; B}eA\O4}I
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 /'hC i]b@v
m~>Y{F2
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 9W8]8sUeG
而不用手动写一个函数对象。 3 ( ]M{4j
!=y]Sv~h
Ed:eGm }
HBY.DCN[Z
四. 问题分析 jn:NYJv
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。 u-1;'a
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。 w ~ dk#=
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 >5wx+n)/)
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 RID]pek
下面我们可以对这几个问题进行分析。 4Td{;Y="yF
2jbIW*
五. 问题1:一致性 )~V4+*<
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?| TyKWy0x-3
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 c,Euv>*`
:iiw3#]
struct holder yi^b)2G
{ unJ R=~E
// UYA_jpI P
template < typename T > .0G6flD
T & operator ()( const T & r) const $o +5/c?|
{ )XfzLF7
return (T & )r; "/]| Hhc{
} zyg:nKQW
} ; [Px'\nVf
"Pl9 nE
这样的话assignment也必须相应改动: yIb,,!y9{
+f0~D(d!_
template < typename Left, typename Right > 5[{*{^F4
class assignment 7n o5b]
\
{ Uu 7dSU
Left l; zKFp5H1!%+
Right r; 3jogD
public : =&dW(uyzY
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 0GDvwy D1
template < typename T2 > nJ?^?M'F%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } &t(0E:^TRU
} ; ^+SkCO
idRD![!UI
同时,holder的operator=也需要改动: >O/D!j|
U6[ang'l
template < typename T >
LzDI0a.
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const %~NH0oFO
{ zu2HH<E
return assignment < holder, T > ( * this , t); m6
s7F/
} QHBtWQgS
qP!P
+'B
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ~Cc.cce5
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 c~<1':
~e@>zoM'^
return l(rhs) = r; MYe
HS
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 v=I|O%
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: /q\_&@
he+#Q6
template < typename Tp > iP3Z
class constant_t Dbx~n#n G
{ 2WvN2"f3
const Tp t; s]27l3)B
public : W&"|}Pi/
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Uf*EJ1Ei
template < typename T > )<4_:
const Tp & operator ()( const T & r) const {}>n{_
{ Zt3}Z4d
return t; 9=dkx^q
} P`1EPF
} ; k /EDc533d
Fs/?
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Bz2'=~J
下面就可以修改holder的operator=了 X7*`
+:jT=V"X
template < typename T > +$z]w(lb T
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const T&"i _no*
{ JbQZ!+
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); q W^vz
} K%KZO`gO
VU!w!GN]Y
同时也要修改assignment的operator() ^DAa%u
ES:!Vx9t0|
template < typename T2 > BZ+-p5]-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Xwu.AVsr
现在代码看起来就很一致了。 h=RDO
q(z7~:+qNr
六. 问题2:链式操作 #'o7x'n^
现在让我们来看看如何处理链式操作。 &w~Xa( uu
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。 X.|Ygx
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。 3=4SGt5m
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。 Nofu7xiDw[
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct dXu {p
CSn<]%GL
template < typename T > -
HOnB=
struct result_1 m24v@?*
{ ')PVGV(D+
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; @]
.VQ<X|0
} ; +$beo2x6
E)'8U
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: s^|\9%WD
p%RUHN3G[
template < typename T > Uxl(9 6
struct ref 'wQy]zm$
{ H*!5e0~rR
typedef T & reference; =&NOHT>
} ; 3B18dv,V
template < typename T > NtZ6$o<Y
struct ref < T &> P\B3
y+)
{ {/UhUG
typedef T & reference; $AwZ2HY
} ; %O) Z
,nE&MeJ
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: H@!#;w
&:vscOl
template < typename T > V<0$xV1b|=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 1mUTtYU
{ G1_Nd2w
return l(t) = r(t); 0$Ff#8
} @\!!t{y
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 [@.B4p
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 zzf7S%1I
]gP8?s|
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 xii$e
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: {E~l>Z88
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 GVObz?Z]SB
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 X%J%A-k]
最后的布局是: _7 `E[&v
Add @&:VKpu\
/ \ A+2oh3
Divide 5 #:W%,$9\P
/ \ \dNhzd#
_1 3 +!$dO'0nt,
似乎一切都解决了?不。 twv
lQ|
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。 MgnE-6_c
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。 hT=f;6$
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: ]PVto\B=
I=b'j5c
template < typename Right > z[biK|YL
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const *. dKR
Right & rt) const `(T!>QVW+g
{ .nPL2zO
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2lJZw@
} -7L
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 X8.y4{5
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。 dqwWfn1lt
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。 ^K/G 5
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。 @%%bRY
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。 YVJ+'
A=|
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?
Bjtj{B
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: e-jw^
7NeDs$
template < class Action > q:W q8
class picker : public Action .2/,XwIr
{ "TUPYFK9
public : 6g8M7<og9R
picker( const Action & act) : Action(act) {} J/=
+r0c
// all the operator overloaded 9Dy)nm^
} ; a\>+=mua
*qbRP"#[$
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。 c'xUJhEL
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: T 4vogoy
+fPNen4E
template < typename Right > gfxoJihE
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const /^~p~HKtx
{ J/L)3y
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); R2SBhs,+R
} sK#H4y+<
/%-o.hT
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ktU9LW~
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。 EQ6l:[
d8D yv#gT
template < typename T > struct picker_maker +BU0 6lLD
{ )Kxs@F
typedef picker < constant_t < T > > result; rA[nUJ,
} ; @Ap@m6K?q
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > *h>OW
{ t`)
'LT
typedef picker < T > result; y Y'gx|\
} ; G,+xT}@wu
sYl&Q.\q
下面总的结构就有了: gQu\[e%mVo
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。 P>.Y)$`r
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 )hePN4edj
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Y"r3i]
至此链式操作完美实现。 /\6}SG;
^ b=5 6~[
B8`R(vu;
七. 问题3 qxRT1B]{Wx
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 D%6ir*%T
e!TG< (S
template < typename T1, typename T2 > 5hlJbWJa
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const YhEiN. ~
{ f<Va<TL6-
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]!n*V/g
} Ej-=y2j{g
.;]YJy
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: V22q*/iV
F!
|TW6)gv
template < typename T1, typename T2 > dY/|/eOt<K
struct result_2 46QYXmNQ}
{ ,e}mR>i=e
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 3(oZZz
} ; CUAg{]
V2WUM+`uT
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? AJJ%gxqGq
这个差事就留给了holder自己。 :< KSf#O
r*~n`
r4]hS`X~%
template < int Order > |H3?ox*
class holder; Q'
OuZKhA
template <> Pf^Ly97
class holder < 1 > %fexuy4
{ xCmI7$uQ#
public : #dxJ#
template < typename T > nN(D7wk
struct result_1 ,_wm,
{ %zIl_/s
typedef T & result; ^Yg|P&e(;
} ; r1^m#!=B
template < typename T1, typename T2 > ,?7xb]h
struct result_2 FVvv
{ U{U:8==
typedef T1 & result; b7>,-O
} ; gKm@B{rC
template < typename T > KV)Hywl`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const zx_O"0{5
{ _k"&EW{ Ii
return (T & )r; E'Fv *UA
} 8VAYIxRv
template < typename T1, typename T2 > D-2v>l_
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const yP1Y3Tga=
{ e$FAhwpon
return (T1 & )r1; r=iMo7q
} \r1kbf7?
} ; .5#tB*H
iA^+/Lt
template <> b0zxT9
class holder < 2 > +cE tm
{ 7B:ZdDj
public : fa*H cz
template < typename T > S$kuhK>W!
struct result_1 +|}K5q \
{ 35N/v G0
typedef T & result; w$U/;C
} ; +{=_|3(
template < typename T1, typename T2 > ,SE$Rh
struct result_2 44fq1<.K
{ LGo@F;!n
typedef T2 & result; +=B}R
} ; *n|0\V<
template < typename T > /i~^LITH
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const z
kX-"}$8
{ Jq+$_Uqd
return (T & )r; 4W//Oc@e
} UmD-7Fd
template < typename T1, typename T2 > :z0>H5
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const fO|~Oz<S
{ !$KhL.4P
return (T2 & )r2;
Sfoy8<j
} ^Mvsq)
} ; ap$tu3j
Jr>S/]"
?m_R U
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> >。 h@m n
GE
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: <K=B(-~
首先 assignment::operator(int, int)被调用: }MavI'
vb"dX0)<
return l(i, j) = r(i, j); J"2ODB5"
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) j'40>Ct=i
{EoyMJgz
return ( int & )i; xjhAAM
return ( int & )j; <
8 Y<w|Hh
最后执行i = j; >pH775I=
可见,参数被正确的选择了。 S_ -QvG2
?'/5%f`
aEqI51I
&pY G
~j&:)a'^
八. 中期总结 !E:Vn *k;
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: xE-c9AH
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 o(>-:l i0
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ?5YmE(v7
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor g\{! 21M
V-ouIqnI
^.1VhTB
!>2\OSp!
aCi^^}!
,8o*!(uO2
九. 简化 .q9|XDqQc
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。 o`8+#+@f7
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 +j: Ld(
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: w$;*~Qc
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Ce'2lo
+-*/&|^等 8!%"/*P$
2. 返回引用。 kbT-Oz 2
=,各种复合赋值等 &|\}\+0Z
3. 返回固定类型。 OZ14-}Lr5
各种逻辑/比较操作符(返回bool) x(zZqOed
4. 原样返回。 a={qA4N
operator, ^}7t:
5. 返回解引用的类型。 iN4'jD^oP
operator*(单目) v?TJ!o
6. 返回地址。 |wb(rua
operator&(单目) r\ Yur
7. 下表访问返回类型。 MHyl=5
operator[] g7z9i[
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ,Ve@=<
operator<<和operator>> g?AqC
,Y8X"~{A
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。 N_k6UA9
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Ahbu >LPk
u\geD
template < typename Left > EEZ2Gu6c
struct value_return 71&+dC
{ D=sc41]
template < typename T > 8si^HEQ8
struct result_1 "}+/0$F
{ .);:K
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; @CI6$
} ; b e%*0lr
6jo&i
template < typename T1, typename T2 > l'%R^
struct result_2 E(LE*J
{ Byj~\QMD|
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ",V5*1w
} ; -f gKSJ7
} ; Ht^2)~e~:
Y(Ezw !a
7O^ S.(
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait R0<