一. 什么是Lambda 3_fLafA
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 PP. k>zsx
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, B6 x5E
-njxc{b
}.NR+:0
ZB`!@/3X
class filler 3dcZ1Yrn
{ ]}ff*W
public : sG}}a}U1
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 01H3@0Q6
} ; n-Dr/c4
S^I38gJd
cC"7Vt9b
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: /p<mD-:.M
2YuaPq/
BR*""/3`
)09_CC!a
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Oq*a4_R'YV
/J/r 62
EQ?4?
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 \Vm{5[ :SA
6jCg7Su]
S]<G|mn,
|1J "r.K
二. 战前分析 tI.(+-q
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。 -|J?-
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 tDy1Gh/c
x ~Se-#$
6XFO@c}d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); J#Bz)WmR
/* --------------------------------------------- */ lDMYDy{<
vector < int *> vp( 10 ); {:4); .
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); =\CbX
/* --------------------------------------------- */ %m+Z rH(
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); dH?pQ
/* --------------------------------------------- */ Cgq9~U !
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); O-|RPW}
/* --------------------------------------------- */ 86R}G/>>e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); G?3S_3J2
/* --------------------------------------------- */ fQOaTsyA
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); O~'1)k>
&+&^Hc
7:bqh$3!s
`q$DNOrS
看了之后,我们可以思考一些问题: +Tq
_n@
1._1, _2是什么? dr'6N1B@
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。 <6v7_
2._1 = 1是在做什么? 3vrQY9H>
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。 ,wRrx&
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。 I62Yg
p$K
.~b6wi&n
>z[d~
三. 动工 fF-V=Zf5
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: m#8}!u&
WY*}|R2R
[K"v)B'
?#FAa,
template < typename T > ORfA]I-u
class assignment >vP^l
{SD
{ 3P#1fI(c
T value; 3`, m=1[)
public : 5O*+5n
assignment( const T & v) : value(v) {} @B&hR} 4
template < typename T2 > NiyAAw
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } W@UHqHr:\
} ; aQRZyE}
\>YXPMIk
YVs{\1|'
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 gO$!_!@LM
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment sM?DNE^BvW
8nZPY)o
$&a`zffG
4Pz9&^K
class holder +A:}5{
{ 9cj=CuE
public : /CX<k gz@
template < typename T > [2&Fnmjk}X
assignment < T > operator = ( const T & t) const Z ,T TI>P
{ ;{Ovqo|
return assignment < T > (t); V}aXS;(r%
} ,l@hhaLm?
} ; -MOf[f^
yq&]>ox
+VU,U`W
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: e@I?ESZ5
F]~`57
static holder _1; _N*4 3O`
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 nR
,j1IUF
Y<kvJb&1*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 43P?f+IYrk
而不用手动写一个函数对象。 T?% F
O #0:6QX
6lZhV[~Z/
U` bvv'38#
四. 问题分析 `aSz"4Wd
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 <M 7WWtmx
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 wddF5EcK0
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 UUA7m$F1
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8-+IcyUza
下面我们可以对这几个问题进行分析。 %=_Iq\lC
5[;p<GqGN
五. 问题1:一致性 G>H&M#7K
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?| 2TIZltFS0e
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 y]@_DL#J=
Kh%9Oy
struct holder !O $EVl
{ Eb#0-I
// D^f;dT;-
template < typename T > /Nxy?g|,
T & operator ()( const T & r) const .|_+>){$w
{ 9ft7
return (T & )r; JQ0KXS Nr
} ,V|>nkQ
} ; F"9qBl~
KuFDkT!
这样的话assignment也必须相应改动: V!~uGf
8$@gAlI^
template < typename Left, typename Right > jaNkWTm:
class assignment N{E>R&,q
{ (bZ)pW/iw
Left l; .dl1sv
U
Right r; P 7gS
M
public : (R Ttz
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} q/&Z6LJ)
template < typename T2 > dG6Mo76
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } i7Y96]
} ; _DH,$evS%
8m-ryr)
同时,holder的operator=也需要改动: f{ENSUtCrR
6%O"
template < typename T > n,n]V$HFGh
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const py@5]n%
{ MW`q*J`Yo
return assignment < holder, T > ( * this , t); -l$]>J~
} {3`9A7bG
z<s]Z
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。 ^Cpvh}1#
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 .4.zy]I
;h] zN
return l(rhs) = r; `2Ff2D^ ?
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。 !.x(lOqf
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: /__we[$E
IO|">a6
template < typename Tp > a?&oOQd-iP
class constant_t C:$ l H
{ &LHQ)?
const Tp t; O`~T:N|D
public : ^tae
(}
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} k`kmmb>
template < typename T > -F@Rpfrj_#
const Tp & operator ()( const T & r) const s+o/:rrxY
{ z8jQaI]j
return t; >8o RO
} d];E99}
} ; c,4UnEoCR
}.MJVB3
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 uu]<R@!J
下面就可以修改holder的operator=了 UPUO8W)<Z6
)!){4c/
template < typename T > V+cHL
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const WX]kez{<uP
{ YD7i6A
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Z!7#"wO9+V
} 1}BW
5;C+K~Y
同时也要修改assignment的operator() }(O
7tC
J{\S+O2,*
template < typename T2 > #Ubzh`v
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 8%>
Ls
现在代码看起来就很一致了。 %Mz(G-I.\
xG\&QE
六. 问题2:链式操作 buG0#:
现在让我们来看看如何处理链式操作。 #V*<G#B
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。 F=$2Gz
'RT
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 D />REC^
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 j*rra
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct KP -g<Zc
wT3QSJ
template < typename T > fp|b@
struct result_1 qun#z$
{ B&+V %~/
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; k2_ "
} ; #/MUiV
Q!zg=_z-
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: K q: +{'
z2A7:[
template < typename T > Etg'"d@[
struct ref Jou~>0,/j
{ $DJp|(8
typedef T & reference; YFy5>*W
} ; ]SFB_5Gb
template < typename T > /E@LnKe
struct ref < T &> My&h{Qk
{ l5l:'EY>
typedef T & reference; 'dDd9
} ; QA+qFP
w*e O9k
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: GX4# IRq
&JVe-.
template < typename T > B!jT@b{
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const r2]:'O6
{ h?p&9[e`
return l(t) = r(t); A?06fo,
} b6 &`]O;%
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。 ;Bd0 =C
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 \=?f4*4|/
>t.2!Z_RQ
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 u0^GB9q
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: MW &iNioX
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 H^Ik FEVs
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 I@08F
最后的布局是: L0/0<d(K
Add JM0'V0z
/ \ x\)0+c~\}x
Divide 5 EX7gTf#
/ \ Q7gBxp
_1 3 osB[KRT>("
似乎一切都解决了?不。 40<ifz[7
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。 cfyN)#9
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。 lY
yt8H
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: 4E}]>
Z)Nl\e& M
template < typename Right > _'JKPD[
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const CaX&T2(
Right & rt) const zHw[`"[
{ dW
Y0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 6Daz1Pxd+
} gmB?L0UV
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 qiV#T+\
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。 #>g]CRN
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。 u~=>$oT't
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。 ,kfUlv=
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。 xV @X%E
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? 3de<H=H'
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: BX;Z t9"*
/!rH DcR
template < class Action > j
yR9a!
class picker : public Action r5tC
{ $rD&rsx6
public : tbrjTeC
picker( const Action & act) : Action(act) {}
3#}5dO
// all the operator overloaded nKC$
KC
} ; Ho9 a#9
);$_|]#
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 V4ml& D
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ^$c+r%9k
'kPc`)\
template < typename Right > ,d'x]&a
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const DfgqB3U[
{ WDNuR#J?
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); a^t#kdT
} D6@c&
6 6WAD$8$
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > /MKcS%/H/
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。 [GJ_]w^}j
@U08v_,
template < typename T > struct picker_maker Dp4\rps
{ gF,9Kv~
typedef picker < constant_t < T > > result; ?a+>%uWt
} ; eS{lr4-]
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > o Y{L0B[
{ c,-3+b
typedef picker < T > result; .I_Mmaq;i
} ;
$x# 0m
`2Rd=M]?
下面总的结构就有了: `3m7b!0k
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 E-\Wo3
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 o<Hk/e~
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ,\ [R\s
至此链式操作完美实现。 f-&4x_5
w'E&w)Z]
P0,@#M&
七. 问题3 H=O/w3
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 1S
.~Vh0Q,
s>hNwb/
template < typename T1, typename T2 > 706-QE^
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ]/&qv6D*d
{ U7i WYdt$
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); n?'I&0>M
} r&6X|2@
%X)w$}WH
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: "@uKe8r|y
X}x"+#\<@
template < typename T1, typename T2 > x{y}pH "H
struct result_2 mX2i^.zH
{ tP/0_^m
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 9n\:grW
} ; fg"]4&`j-
} o^VEJc`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? H&0dc.n~.
这个差事就留给了holder自己。 Uj]Tdg
?}p~8{ '
gp@X(d
template < int Order > =
cQK^$6(
class holder; o3C7JG
template <> PX!$w*q
class holder < 1 > ^\o 3V<
{ v0psth?qV
public : ob= ](
template < typename T > V
,#
|\
struct result_1 o_=t9\:
{ i3
?cL4
typedef T & result; Fl8*dXG&
} ; i{T mn
template < typename T1, typename T2 > %0-fn'
struct result_2 e'"2yA8dh"
{ ,v^A;,q
typedef T1 & result; `4GEq2%
} ; QlxzWd3=q
template < typename T > ]{sx#|_S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const R9+0ZoS
{ M{(g"ha
return (T & )r; ;iB9\p$K)
} F"|OcKAA}h
template < typename T1, typename T2 > 7dxe03h
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const w^BF.Nu
{ ERka l7+
return (T1 & )r1; Hsdcv~Xr;l
} &7-ENg9 [
} ; dUvgFOy|P
3rdrNc
template <> ?ZF~U
class holder < 2 > =qWcw7!"
{ Jam&Rj,
public : .<fn+]
template < typename T > S1vUP5cZ
struct result_1 =\ek;d0Tqb
{ b7uxCH]Z
typedef T & result; v.Vdjs
} ; UR{OrNg*
template < typename T1, typename T2 > $c1zMkY)u
struct result_2 jx=5E6(h
{ Hoj'zY
typedef T2 & result; f)_k_ <
} ; z JBcz,
template < typename T > H6.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const k00&+C
{ m=K46i+NE
return (T & )r; 7QXp\<7
} f,(@K%
template < typename T1, typename T2 > .wpp)M.w;H
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const QAxR'.d
{ H~1o^
gU
return (T2 & )r2; Y2!P!u+Q
} yDORL|
E'
} ; 1m{c8Z.h/d
EYy|JT]B
@{ CP18~:
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 IW>\\&pJ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: j
e;^i,&
首先 assignment::operator(int, int)被调用: }Q1m
ugy:^U
return l(i, j) = r(i, j); Xw'Y
&!z
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) gw^X -
!h.bD/?K
return ( int & )i; na`8ulN_
return ( int & )j; y,F|L?dIq
最后执行i = j; +\GuZ5`
可见,参数被正确的选择了。 D>6vI
1,Uf-i
hmES@^n!_
^@-qnU lH
i}_d&.DbF
八. 中期总结 6xW17P
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: N
6t `45
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 C%QC^,KL
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 _s~F/G`iT
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor =|O><O|
|QO)xEn~
Dy|DQ> ?}
pP^"p"<s
Lv<)Dur0K
;yDXo\gm
九. 简化 *<l9d
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 fK1^fzV
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 G_5E#{u
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: `\Hs{t]
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Zoyo:vv&
+-*/&|^等 +l@+e_>
2. 返回引用。 q@%9Y3
=,各种复合赋值等 _/RP3" #
3. 返回固定类型。 F9 4Qb}
各种逻辑/比较操作符(返回bool) nTH!_S>b(Y
4. 原样返回。 n||!/u)*
operator, 1+NmiGKg
5. 返回解引用的类型。 A]%hM_5 s
operator*(单目) _^Lg}@t
6. 返回地址。 *h Bo,
operator&(单目) S$%Y{
7. 下表访问返回类型。 1`@rAA>h'
operator[] MnT+p[.
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 >a5avSn
operator<<和operator>> 2apQ4)6#[H
<#5`%sa '
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。 K}YOs.
例如针对第一条,我们实现一个policy类: '<KzWxuC
<B=!ZC=n
template < typename Left > Q=cbHDB
struct value_return a FrVP
{ &`A2&mZ
template < typename T > >6cENe_@t
struct result_1 lITZ|u
{ K#],4OG
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; +gsk}>"
} ; > [|SF%
?FRQ!R
template < typename T1, typename T2 > vy+9Q5@W
struct result_2 )gq(
{ j[o5fr)L
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; )B'U_*
} ; @5-+>\Hd^t
} ; |~3$L\X
:j m|)
Bt^];DjH
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait )iG+pP@.@
&Jw4^ob
下面我们来剥离functor中的operator() P!)k 4n
首先operator里面的代码全是下面的形式: PX1Scvi
jn;b{*Lf
return l(t) op r(t) L5*,l`lET
return l(t1, t2) op r(t1, t2) @tLoU%
return op l(t) ,-XJ@@2gM
return op l(t1, t2) ]Zf@NY
return l(t) op .iL_3:6f
return l(t1, t2) op m'%Z53&
return l(t)[r(t)] K!9rH>`\
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] {@u}-6:wAT
/fM6%V=Y
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: s=nE'/q1|
单目: return f(l(t), r(t)); zA/W+j$:
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); rHtT>UE=
双目: return f(l(t)); =c8U:\0
return f(l(t1, t2)); "Rp ]2'?
下面就是f的实现,以operator/为例 OQA3 ~\Vu
/m;w~-N
struct meta_divide 0OMyE9jJJ
{ u0J+Nj9
template < typename T1, typename T2 > `<>8tZS9"
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) CW=-@W7
{
1Nk}W!v
return t1 / t2; GSW{h[Op
} ma
}Y\(38
} ; #1zWzt|DW
':!;6v|L
这个工作可以让宏来做: #V8='qD
<