一. 什么是Lambda myJsRb5
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 % l5J
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, * |,V$
^R2:Z&Iv%
4QDF%#~q^
=RQ>q
class filler K):)bL(B
{ 7tt&/k?Q
public : #D}NT*w/
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} H ($=k-+5
} ; ~i(*.Z)
\
4Q!*h8O
Ig9$ PP+3
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: nq$^}L3&~
L:%h]-
0,VbB7 z
thq(tK7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); %_/_klxnO
?EtK/6dJZt
4lz9z>J.V
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 2 K`
hH
g4~{#P^i
:/1WJG:!
IXC: Q
二. 战前分析 7qnw.7p
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Xt$?Kx_,
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 p_mP'
`|]juc
M\T6cN@m
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); W;hI[9
/* --------------------------------------------- */ r?[Zf2&
vector < int *> vp( 10 ); wRWN]Vo
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); vmk
c]DC
/* --------------------------------------------- */ ^srx/6X
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); t/y0gr tm6
/* --------------------------------------------- */ WMYvE\"
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); M'[J0*ip
/* --------------------------------------------- */ CaK 0o*D
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); h],_1!0
/* --------------------------------------------- */ X}S<MA`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 6rR}qV,+{
-1U]@s
okfhd{9
gIT"nG=a4
看了之后,我们可以思考一些问题: 7@06x+!
1._1, _2是什么? v/CXX<^U(
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。 K{"+eA>CU
2._1 = 1是在做什么? `+i<:,z-gs
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。 U${dWxC
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 &:Raf5G-E
/y
NU0/
4S+P]U*jW
三. 动工 WJ/&Ag1
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: HhIa=,VY
tn:tM5m
M|e@N
Nhuw8Xv
template < typename T > 6R"& !.ZF
class assignment Z(CzU{7c
{ V>z8*28S.
T value; x.}iSE{
public : Uv.{=H:
assignment( const T & v) : value(v) {} KZ&8aulP
template < typename T2 > 0~"{z>s '
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } nww,y
} ; y/
vE
hoPCbjkov
2}hEBw68
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9D-PmSnv
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment `43E-'g
\vpUl
(LQ*U3J]_
[?_^Cy
class holder &Q 3!ty
{ "y#$| TMB
public : l8jm7@.E
template < typename T > 0riTav8
assignment < T > operator = ( const T & t) const _sx]`3/86
{ $Z$BF
return assignment < T > (t); Br;1kQ%e C
} yA=#Ji
} ; rr9N(AoxW
bm`x
X8y&|uH
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: 7oK!!Qd^w
PWmFY'=
static holder _1; Pe~[qETv
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 X`#vH8
REc69Y.k
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 08cCrG
而不用手动写一个函数对象。 =5',obYN>c
UJ
n3sZ<}
g \&Z_
MBp%TX!
四. 问题分析 b-\ 1D;]
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。 "V}WV!w
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。 9J$N5
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 5{L~e>oS9
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 2old})CLJ
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ,F!zZNW9
#8i DM5:EQ
五. 问题1:一致性 J<yt/V]
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| Jx!#y A;
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 X0.k Q
<Y:{>=
struct holder "A6m-xE~
{ jEVDz
// C6Lc
template < typename T > SYkwM6
T & operator ()( const T & r) const gNUYHNzDM(
{ <A^sg?s<'
return (T & )r; kUGOkSP8[
} C.].HQ
} ; k{d]
,)@njC?J
这样的话assignment也必须相应改动: -n FKP&P
9kHVWDf
template < typename Left, typename Right > k<Qhw)M8
class assignment {bHUZen
{ JlR$"GU
Left l; ~@ =(#tO.
Right r; n+MWny
public : =h0vdi%{
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} <-;/,uu
template < typename T2 > ,cE yV74
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } `,QcOkvbC
} ; _t&`T
%e^GfZ
同时,holder的operator=也需要改动: =gNPS0H
n&OM~Vs
template < typename T > '.EO+1{a
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const %
bfe_k(
{ d^MRu#]
return assignment < holder, T > ( * this , t); 'b)qP|
} DK)T2{:
2Pow-o*r
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。 )G#mC0?PV
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 /|q.q
ysapvQN_6
return l(rhs) = r; VWq]w5oQO
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。 '_d4[Olu
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 5EU~T.4C<
7UIf
template < typename Tp > {Y-~7@
class constant_t 0FSN IPx
{ "i#aII+T
const Tp t; % IHIXncv[
public : "!+gA&
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} {ETM >
template < typename T > Z_Wzm!:
const Tp & operator ()( const T & r) const `AYq,3V
{ }@eIO|
return t; :*f 2Bn
} @}=(4%
} ; hw$!LTB2
u
3^pQ6Q
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 b9-IrR4h
下面就可以修改holder的operator=了 nr2 Q[9~
_Jy7` 4B.
template < typename T > F~q(@.b
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 1U%
/~
{ {{jV!8wK
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ^M{,{bG
} JIhEkY
y];-D>jk
同时也要修改assignment的operator()
C];P yQS
wBcoh~
(y
template < typename T2 > q3AqU?f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } s1q8r!2\w
现在代码看起来就很一致了。 +D@5zq:5
\?pyax8
六. 问题2:链式操作 tI1OmhNN
现在让我们来看看如何处理链式操作。 LH)XD[
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。 I)tiXcJw
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。 ]?pQu '-(
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。 (`S^6-^
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ia7<AwV
m8ts!6C
template < typename T > DmpT<SI+!
struct result_1 H1I^Vij
{ y~fKLIoz"
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; w9{C"K?u=
} ; fqhL"Ah
P0e-v0
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: jMgXIK\
GlnO8cAB
template < typename T > yVII<ImqIH
struct ref +? h}e
{ ];Z6=9n
typedef T & reference; kk%3 2(By
} ; CJ*
D
template < typename T > _Z23lF9
struct ref < T &> 8LbwEKl
{ )\|+G5#`
typedef T & reference; ]QhTxrF"
} ; 6|zhqb|s
5BJE
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: -~mgct5
$#q`Y+;L2
template < typename T > #L~i|(=U5
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const &)Xc'RQ.C
{ Lm
TFvZ
return l(t) = r(t); &^r>Q`u
} OvtE)ul@
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。 DMM<,1
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 51SmoFbMz
X*QS/\
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 P(hGkY=(
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: X_]rtG
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 BH">#&j[
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 O2?C *
最后的布局是: 1@DC#2hPr
Add 9@lWI
/ \ KNUK]i&L
Divide 5 m[^lu1\wn
/ \ qOwql(vX
_1 3 /'+>/
似乎一切都解决了?不。 j{@6y
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。 Mf1(4F
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。 [ QiG0D_'=
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: H"#ITL
f#\YX
tR,k
template < typename Right > &EfQ%r}C
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const l~6K}g?
Right & rt) const %GHGd'KO&
{ Q?#I{l)V(
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d9K8[Q5^3
} qhEv6Yxfw6
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 FQ]/c#J
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。 zaqX};b
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。 xG9Sk
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。 6qWUo3
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。 zxbfh/=
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? [={mCGU
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: FTf#"'O
v $Iw?y
template < class Action > ''y.4dvX
class picker : public Action u^1#9bAW8
{ JZ:@iI5>+
public : Ao\xse{E
picker( const Action & act) : Action(act) {} "8xAe0-4
// all the operator overloaded kAki9a(=!
} ; D|N4X`T`
.Q{RTp
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 SIe!=F[
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: |eqBCZn
\D7bTn
template < typename Right > qqrjI.
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const V'Gal`
{ E>!=~ 7.
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); bMyld&ga
} e$# *t
|A8@r&
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2cR[~\_9.
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。 zLpCKndj
K~N$s"Qx
template < typename T > struct picker_maker &mwd0%4
{ E/P~HE{
typedef picker < constant_t < T > > result; O>~,RI!
} ; <+`%=r)4
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > .%zcm
{ =V^-@ji)b
typedef picker < T > result; l8\UO<^fY
} ; \|]mClj#
N3%X>*'
下面总的结构就有了: VdLoi\-/L
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 H@Dpht>[
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 "Ms;sdjg}&
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 W>K^55'
至此链式操作完美实现。 XKoY!Y\
rUiYR]mV
J2YQdCL
七. 问题3 z3oi(
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 3k Ci5C
(l{vlFWd
template < typename T1, typename T2 > '![oLy
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const *g/klK
{ =[6^NR(
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); a`xq
h2P
} !+l'<*8V
=Zd(<&B K
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2:
is'V%q
qt/K$'
template < typename T1, typename T2 > "-J5!y*,Y
struct result_2 4&/CES
{ JU 9GJ"
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 22gh!F%)
} ; j[>cv;h
;
* {g3ia
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? 3H,E8>Vd
这个差事就留给了holder自己。 jvzioFCt
#36QO
g^ AQBF
template < int Order > 34@ [ZKJ5
class holder; 8v4}h9*F"7
template <> Sc)^k
class holder < 1 > _?{7%(C
{ JJ?{V:
public :
Ei;tfB
template < typename T > C|'DKT4M&
struct result_1 ([>ecS@eO
{ PRKZg]?
typedef T & result; o/5-T4
} ; ARk(\,h
template < typename T1, typename T2 > ']_2@<XW)
struct result_2 rQ;w{8J\t
{
5)[~
T2j!
typedef T1 & result; f6Qr0Op
} ; ZN[<=w&(cB
template < typename T > \br!77
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Ey6R/M)?:y
{ !l:GrT8J
return (T & )r; ;nY#/%f
} =2Y;)wrF
template < typename T1, typename T2 > ,_[x|8m
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const s|[>@~gXk
{ 1!#85SMx
return (T1 & )r1; 3EoCEPb#
} NvR{S /Z
} ; $TQhr#C]
&!!*xv-z
template <> 5> k:PKHL
class holder < 2 > @u~S!(7.Wi
{ [$N_YcN?
public : |3H+b,M5
template < typename T > )2}R1K>
struct result_1 =L6#=7hcl
{ Gp"GTPT{
typedef T & result; ?J}Q&p.
} ; $( hT{C,K
template < typename T1, typename T2 > $] 6u#5
struct result_2 U|^xr~q!f-
{ $=aO*i
typedef T2 & result; @6u/)>rI
} ; 7|rH9Bc{U
template < typename T > tne_]+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const eA!o#O.
{ lqzt[z gN
return (T & )r; 60D36b(
} nJDGNm,
template < typename T1, typename T2 > Kxe\H'rR
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 7[m?\/K~
{ . "Ms7=
return (T2 & )r2; 1{}p_"s>
} U&?hG>
} ; {#,<)wFV\
}^"6 :;,
.;#T<S"
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。
-m@o\9Ic
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: h`[$
Bp
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ,75)
*~rj!N?;
return l(i, j) = r(i, j); Q
eeV<
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) mScv7S~/s
UaT%tv>}8#
return ( int & )i; m[DQ;`Y
return ( int & )j; rhv~H"qzW
最后执行i = j; 3Ax'v|&Hg
可见,参数被正确的选择了。 ]#!uke Q
g \mE
N0`9/lr|
[Nyt0l "z
$d?+\r:I{,
八. 中期总结 6].[z+
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: MP]<m7669*
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 xtV+Le%
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 e`*}?N4d
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ]#/nn),Z
t],a1I.gk
<_?zln:4.
j,IRUx13f
!MbzFs~
[%W'd9`>
九. 简化 N?GTfN
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 <-lM9}vd
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 w5FIHYl6B
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: I-#H+\S
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 F(")ga$r
+-*/&|^等 UG| /Px ]
2. 返回引用。 SZ` 7t=I2
=,各种复合赋值等 ]a3$hAcj6"
3. 返回固定类型。 AFLtgoXn:
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ?K1B^M=8
4. 原样返回。 {UiSa'TR1b
operator, r(,U{bU<
5. 返回解引用的类型。 HC`0Ni1
operator*(单目) 5Xy(za
6. 返回地址。 ;(Yb9Mr)z
operator&(单目) "ra$x2|=}
7. 下表访问返回类型。 9QZaa(vN
operator[] WMbkKC.{J
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 /:|vJ|dJ
operator<<和operator>> >P6"-x,["
oFk2y ^>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。 "N4^ ^~s
例如针对第一条,我们实现一个policy类: z]7 WC
r>mBe;[TX
template < typename Left > u6iW1,#
struct value_return #^FM~5KK
{ +qi&