一. 什么是Lambda #P8R
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 fN4d^0&
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, ~Xa8\>
VFLxxFJ
\OMWE/qMy
+c@s
class filler cTW3\S=
{ t)Q6A@$:
public : Ra%" +=
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} l*;Isz:
} ; =m{]Xep
P9j[
NEV
8.9TWsZ
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: A1`y_
Aj
=<nx[J
7VWq8FH`
5c*kgj:x
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 8Io--Ew3
[wS~.
XI+m
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 WJ)( *1
E3X6-J|
NbPv>/r
KrwG><+j
二. 战前分析 ;[
UGEi
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 pJ*x[y
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 }[a
c=?=u
saMv.;s
1^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); a#i;*J
/* --------------------------------------------- */ ":t'}Eg=6
vector < int *> vp( 10 ); Sl@$
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); n_}=G
RR
/* --------------------------------------------- */ |L
XYF$
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 35/)S@
/* --------------------------------------------- */ [gK (x%
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~V,~'W
/* --------------------------------------------- */ e.X*x4*>~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 9|19ia@[\
/* --------------------------------------------- */ i}C9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); hq}kAv4B=
>0yx!Iao
YcJZG|[
|TCHPKN
看了之后,我们可以思考一些问题: 6|q\ M
1._1, _2是什么? Qs24b
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。 r q2]u
2._1 = 1是在做什么? rdK=f<I]
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。 }:NE
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。 2, bo
:CH?,x^!@
!?t#QDo
三. 动工 dW
hU
o\>=
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: >l|ao&z>bm
".Lwq_
F/ BB]gUB
o[C,fh,$
template < typename T > }Yd7<"kp
class assignment ,9T-\)sT
{ q'r(#,B<3
T value; 7A!E~/nSC
public : JO\F-xO
assignment( const T & v) : value(v) {} 9b
K K
template < typename T2 > obYXDj2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 2)O-EAn
} ; =7&2-'(@
w}*2Hz&Q!
j6zZ! k
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 !L..I2'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment D[d+lq#p
*;(wtMg
r`? bYoz
U/v }4b
class holder tbbZGyg5b
{ v(uYso_
public : v;=F$3
template < typename T > 6y;R1z b
assignment < T > operator = ( const T & t) const bUR;d78
{ O3Jp:.ps
return assignment < T > (t); yXg #<H6V
} DI/yHs
} ; 5i 56J1EC
QFn .<@
R $vo
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: p#['CqP8
J!l/!Z>!cF
static holder _1; }=)
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 zCOzBL/1q
g\%vkK&I
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nP9zTa
而不用手动写一个函数对象。 ,MH9e!
9
U6cM-p?
1+P&O4>
+Usy
四. 问题分析 nJEm&"AI
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 Qfx:}zk{
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 >Q159qZ
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ~N2<-~=si
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 _0Mt*]L }
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ^SdorPOq&
==$>M
d
五. 问题1:一致性 Yh=/?&*
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?| aTJs.y-I~
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 i+`N0!8lY
} v#Tm
struct holder La$*)qD,
{ :C%cnU;N
// 8KQD
w:
template < typename T > &<Gs@UX~w
T & operator ()( const T & r) const MoIq)5/
{ 7 (}gs?&w
return (T & )r; T@V<J'
} (]*otVJ
} ; ?`jh5Kw%y
Xbm\"g \
这样的话assignment也必须相应改动: %XIPPEHU
;QVX'?
template < typename Left, typename Right > i,77F !
class assignment hrLPyV:
{ 9eA2v{!S
Left l; -kFPmM;
Right r; !nPwRK>
public : EfTuHg$pe
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [N$#&4{Je
template < typename T2 > ]{mz %\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } !F@9xG
} ; Sb9O#$89
U_1syaY!
同时,holder的operator=也需要改动: #q[k"x=c
*^]lFuX\&E
template < typename T > :fxG]uf-P
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const U9uy(KOW
{ ups]k?4
return assignment < holder, T > ( * this , t);
2aROY2
} VR/*h%
4tv}5llSG
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 DOk(5gR
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 _]g?3Gw7!
]KsL(4PY
return l(rhs) = r; }]i re2j8
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 Gw\-e;,
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: \NIj&euF
D #<)q)
template < typename Tp > OPYl#3I
class constant_t v5aHe_?lp
{ x*p>l !
const Tp t; x)+3SdH
public : ]VarO'
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 4 w$f-
template < typename T > y":Y$v,P
const Tp & operator ()( const T & r) const `V(zz
{ `pB]_"b
return t; 8&gr}r-
5
} =TTk5(m
} ; .BaU}-5
)Ha`>
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 "4 Lt:o4x
下面就可以修改holder的operator=了 )QeXA)
-d|Q|zF^x
template < typename T > L)0j&
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const b.Yl0Y
{ 1WArgR
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); H%}ro.u
} e:&+m `OSH
6/A#P$G
同时也要修改assignment的operator() FCk4[qOp7
7q%<JZPY
template < typename T2 > !uoQLiH+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } zvzS$Gpe
现在代码看起来就很一致了。 $]{20"
&zGf`Zi6*%
六. 问题2:链式操作 Nb[zm|.
现在让我们来看看如何处理链式操作。 R:Pw@
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 #Tr>[ZC
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 M/O4JZEqh
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 &p."`
C
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct r)9&'m .:
1c$<z~
template < typename T > UJ}Xa&*H\
struct result_1 ZQ&A'(tt4
{ %syFHUBw
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; M9_G
} ; `PV+.V}
C4Tn
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: p "J^
T7wy{;
template < typename T > Lc0U-!{G
struct ref v#HaZT]u
{ hkK+BmMj\
typedef T & reference; 7wO0d/l_
} ; S:\a&+og
template < typename T > M;14s*g
struct ref < T &> & o2F4
{ *@E Itj `
typedef T & reference; dBB;dN
} ; _tl,-}~
}I1A4=d
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: "0,d)L0,"
>z(AQ
template < typename T > $?Et sf#*'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const YY&3M
{ 3@d{C^\
return l(t) = r(t); !I7bxDzK$
} ,wI$O8"!j
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。 w6B'&
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 dG}.T_l
$>72 g.B
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 =nq9)4o
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: j.'Rm%@u
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 J?Ed^B-
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 :9_N
Y"P
最后的布局是: sSh=Idrx
Add B@:11,.7
/ \ [RZ}9`V
Divide 5 ?8j#gYx2
/ \ zW,Nv>Ac5
_1 3 %(9BWO
似乎一切都解决了?不。 wFgL\[$^|
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 SP&Y|I$:
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。 3Zr'Mn
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: qrWeV8ur+
Z5oX "Yx
template < typename Right > .U66Uet>RX
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const `I\)Kk@*b9
Right & rt) const ZL0':7
{ I T.'`!T
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); E(0(q#n
} OG M9e!
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 eH*u,/
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。 d%"?^e
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。 :;wb{q$O
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 !Q`vOVSUD
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 z_Nw%V4kr
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 3#IU^6l:1S
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: RWN2P6
R)%1GG4
template < class Action > yf2I%\p}
class picker : public Action 5i 6*$#OM_
{ K*ZH<@o4
public : +npcU:(Kg
picker( const Action & act) : Action(act) {} v(HCnC
// all the operator overloaded C:]&V*d.v4
} ; ,u^RZ[}
vPVA^UPNV
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。 ;w^-3 U7:
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: @IB+@RmL
q}nL'KQ,n
template < typename Right > aCL_cVOMR
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 4z~%gt74O]
{ &HPzm6.3
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 33R_JM{
} /,>@+^ 1
~-"<)XPe
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > >%~E <
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。 +2}aCoL\
2MNAY%iT
template < typename T > struct picker_maker 0(uNFyIG
{ xk1pZQ8c
typedef picker < constant_t < T > > result; ?~mw
} ; 1I'ep\`"X
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > tRqg')y
{ 2n9E:tc
typedef picker < T > result; <lx~/3<m
} ; \Ty%E<
bt$+l[U^J
下面总的结构就有了: /K#t$O4
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。 aYjFRH`
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。 U9om}WKO
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ,oW8im
至此链式操作完美实现。 8gA:s`ofJ
ngZkBX
}ph;~og}y
七. 问题3 lS`hJ:
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。 :QSCky*i
\XG18V&
template < typename T1, typename T2 > %H-(-v^T*
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const #-QQ_
{ bS0z\!1
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); (I?CW~3#
} b,?@_*qv+
hBSci|*f
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: Lv;R8^n
` "Gd/
template < typename T1, typename T2 > V9v80e {n4
struct result_2 t^|+|>S
{ ] -6=+\]
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; SI:+I4i
} ; {y{&tzZ
67uUeCW
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? E57J).x-BP
这个差事就留给了holder自己。 OVsZUmSG
39W"G7n?v
Q k`yK|(0=
template < int Order > ODGOWw0
class holder; \#bk$R@
template <> 6 u3$ .Q
class holder < 1 > UTatcn
{ hM!D6: t
public : :Fm{U0;"
template < typename T > 5"f')MKUV9
struct result_1 =R M=@X
{ htn "rY(
typedef T & result; sA3=x7j%c
} ; ^-CQ9r*
template < typename T1, typename T2 > 5WR(jl+M
struct result_2 AZmABl
{ Bn7~ p+N
typedef T1 & result; VQ{.Ls2`Z
} ; =6mnXpM.
template < typename T > >L#HE
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \O"EK~x}/
{ /4\!zPPj.
return (T & )r; 7Y:~'&U|
} oGzZ.K3 A
template < typename T1, typename T2 > y;N[#hY#CD
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 0Ey*ci^ue
{ z 0;+.E!
return (T1 & )r1; KrQ8//Ih
} Rt$Q*`u
} ; C|kZT<,]
MIcF"fB![
template <> e1e2Wk
class holder < 2 > wv 7jES
{ C<!%VHs
public : OzFA>FK0f;
template < typename T > WJG& `PP
struct result_1 L< MIl[z7
{ EwSE;R -
typedef T & result; c\.8hd=<
} ; mdu5aL
template < typename T1, typename T2 > jk0Ja@8PK
struct result_2 C0\A
{ AiXxn'&i
typedef T2 & result; P^-tGo!
} ; SwESDo)
template < typename T > 0K-jF5i$`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 3P1OyB
{ tHhA_
return (T & )r; ;cBFft}D
} w5I
+5/I
template < typename T1, typename T2 > 8oI)q4V
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ~!c~jcq]lZ
{ ' LT6%<|
return (T2 & )r2; UR~9*`Z ,
} YuWsE4$
} ; C7ZU)MEUd/
Z5/g\G[
o0:[,ock
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!#jh\w
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: V$Y5EX
首先 assignment::operator(int, int)被调用: \-mz[<ep
,:!X]F#d$
return l(i, j) = r(i, j); kc d~`+C
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) pZRKM<k
$ctY#:;pV{
return ( int & )i; 9}`A_KzFx
return ( int & )j; 1uTbN
最后执行i = j; #D"fCVIS
可见,参数被正确的选择了。 _"8\k7S*
56Q9RU(M
pq`Bg`c
JFx=X=C
$x&\9CRM
八. 中期总结 |BD]K0
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: X!0s__IOc
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 V~y4mpfX
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 !=(~e':Gv
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Dm':D
SSANt?\Z<
w,
u`06
[c@14]e
v4}kmH1
4
|$|]E
九. 简化 gIR{!'
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。 &Y2mLPB
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 f!}c0nb
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: :%Dw3IrOM
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 4C&L