一. 什么是Lambda ZbiC=uh
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 3dz{"hV
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, a x)J!I18
cNT !}8h^
y4! :l=E^
M,W-,l
]
class filler xQ';$&
{ ]#[4eaCg
public : |)xWQ KzA
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} E2 FnC}#W
} ; $vK,Gugcx
_ X
.Tm.M7
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: rg;4INs#
8bQXC+bK
[m4M#Lg\0
Ie
K+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); e$teh`
p3
DE7y\oO]
AOkG.u-k
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 TV0sxod6
JhjH_)
b)x0;8<
iITMBS`}
二. 战前分析 :Jf</uP_
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。 dGj0;3FI%
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 tK@7t0
V;g) P
s?s,wdp
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); x4PzP
/* --------------------------------------------- */ S(U9Dlyarg
vector < int *> vp( 10 ); R!%HQA1U
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 6&5D4
V
/* --------------------------------------------- */
jz
HWs
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); e`U
6JzC
/* --------------------------------------------- */ yY!)2{F+
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); %I9f_5BlT8
/* --------------------------------------------- */ /_HTW\7,
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); :/%Y"0
/* --------------------------------------------- */ qdy(C^(fa
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); u,nn\>Y
ES!e/l
GRJ6|T$!?$
VwRZgL
看了之后,我们可以思考一些问题: E%;$vj'2
1._1, _2是什么? !Yr9N4
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ,;5%&T
2._1 = 1是在做什么? mn=b&{')e
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 oH&@F@r:+
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 eub}+~_?[
[mQ1r*[j
si)>:e
三. 动工 Nd"IW${Kg
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: *!TQC6b$
@%*2\8}C!
!s^XWsb8
2LR y/ah
template < typename T > fVgN8b|&'
class assignment fzw:[z:%
{ X `EVjK
T value; bM5V=b_H
public : k0N>J8y
assignment( const T & v) : value(v) {} po'b((q
template < typename T2 > ?%su?L
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } xo?'L&%
} ; V=5S=7 Z:
cr<j<#(Z}
Y3~z#<
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 K?[Vz[-Fc
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment KAD2_@l
h,B4Tg'
AG}j'
BfCM\ij
class holder `L 1+j
{ N8df1>mW
public : aNY-F)XWa
template < typename T > ykJ+LS{+
assignment < T > operator = ( const T & t) const JNXzZ4U
{ KM)f~^
return assignment < T > (t); NOwd'iU
} D!OY <?
} ; 0HU0p!yt&
R`DzVBLl
kr~n5WiAZ
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: boCi*]
2A@oa9
static holder _1; DBsoa0w
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ZO/Jf Jn~
_q1\8y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); "adic?5
而不用手动写一个函数对象。 /YUW)?o!^N
kppi>!6
QEbf]U=
_b/zBFa%
四. 问题分析 Jn d_cJ ]a
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。 .tGz, z}
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。 vV$t`PEY
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 LQr!0p.i"
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 RCYv 2=m>Q
下面我们可以对这几个问题进行分析。 6nE/8m
?D2a"a$^
五. 问题1:一致性 <XG]aYBR
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?| 9 Xl#$d5
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 <QFayZ$
+>1?ck
struct holder t3?I4HQ
{ #9r}Kr=P
// 2)}*'_E9
template < typename T > zSD_t
T & operator ()( const T & r) const %{4U\4d@'
{ F(."nUrf
return (T & )r; p&V64L:V
} 4G' E<ab
} ; [jlum>K
%X.g+uu
这样的话assignment也必须相应改动: {wA8!5Gu
Hcg7u7M{
template < typename Left, typename Right > S'qT+pP
class assignment 8@LWg d
{ ,{S $&g*
Left l; "ldd&><
Right r; %Rf9KQ
public : 60{DR >S
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} cf$
hIB)Oi
template < typename T2 > /3rNX}tOMH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 2jC:uk
} ; ogQfzk
Z}0xK6
同时,holder的operator=也需要改动: gsEcvkj*
LFxk.-{=
template < typename T > +%,oq]<[,
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const LI3L~6A>
{ )P
b$
return assignment < holder, T > ( * this , t); h9imS\gfr
} W!\%v"
kiN,N]-V
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。 Spx%`O<
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 r9N?z2X
Cj4Y, N
return l(rhs) = r; k
Qr
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。 kO*\JaD
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: '6){~ee
S
Ck !"MK4
template < typename Tp > =`|BofR
class constant_t Gv dok<o
{ /D;ugc*3
const Tp t; :vEfJSA
1<
public : 1;<Vr<.
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} x+za6e_k"
template < typename T > -hm/lxyU
const Tp & operator ()( const T & r) const y7!&
{ +:ms`Sr>
return t; w.J$(o(/
} gy,)%{,G
} ; X\H P{$fY_
Zqe$S
+u
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 f1'X<VA
下面就可以修改holder的operator=了 \6/Gy!0h-
FGP^rTP)e
template < typename T > /ivVqOo
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Yl'8"
\HF
{ Dzu//_u
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); BH~zeJ*Pr
} r0[<[jEh
8N"WKBj|_d
同时也要修改assignment的operator() \MmOI<Hd-
eHs38X
template < typename T2 > T{^mh(3/"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Qb)c>r
现在代码看起来就很一致了。 ~/JS_>e#6P
gfIS
六. 问题2:链式操作 Z&iW1
现在让我们来看看如何处理链式操作。 e_3jyA@v
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 s#a`e]#?
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 /Ta-3Eh!
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 #W8?E_iu
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct }AB_i'C0
u8>aO>(bVg
template < typename T > MbInXv$q2/
struct result_1 l(_|CkcZ
{ F7b%
x7b
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; =X5w=(&
} ; >m;nt}f'+
PknKzrEG:>
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: 6S{F4v2/0
Uvc$&j^k
template < typename T > t}Td$K7
struct ref z?Z"*z
{ d(^HO~p
typedef T & reference; 6A.%)whI;
} ; %vZHHBylu
template < typename T > \*{Mg wF
struct ref < T &> Ths~8{dMb
{ BGj!/E
typedef T & reference; T_UJ?W
} ; pi#a!Quf\
u0=&_Q(=
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: R6Md_t\
Vrlqje_Q
template < typename T > tw
zV-8\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const RR+kjK?
{ P/WGB~NH
return l(t) = r(t); @uV]7d"z(
} M1NdlAAf
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。 6[R6P:v&'G
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 4<PupJ
pRE^;
4}z
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 ^`SEmYb;
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ' ,]Aj!q
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 y!x[N!a
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0$-|Th:o
最后的布局是: zx]r.V
Add 9a]o?>`E
/ \ ,aS+RJNM
Divide 5 1c]{rO=taN
/ \ u]O}Ub`
_1 3 GKF!GbGR@
似乎一切都解决了?不。 8O{V#aop
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。 9__Q-J
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。 pYAKA1F
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: }m^^6h
r9M3rj]
template < typename Right > QbSLSMoL
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const acUyz2x
Right & rt) const "m6G;cv
{ mDv<d =p!
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @f|~$$k=
} c C) <Y#1
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 h/:LC 7
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。 s.;'-oA
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。 toD!RE
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。 z ULHgG
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。 ^pew'pHQ
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? qHyOaKMd
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: tQT<1Q02i
.9z}S=ZK
template < class Action > $>_`.*I/
class picker : public Action kxyOe[7 S
{ 37?X@@Z=
public : t(PA+~sIp
picker( const Action & act) : Action(act) {} gG.+3=
// all the operator overloaded (gvnIoDl0
} ; {0fQE@5@
Y^d#8^cP
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 vNdX
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: Z]2z*XD
Oi~Dio_?
template < typename Right > VE/m|3%t
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const L">jSZW[[
{ =2rdbq6R
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); }LX!dDuwA
} Si23w'T
wfu`(4
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > XrMw$_0)
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。 KkzG#'I1
[z7]@v6b
template < typename T > struct picker_maker n,-*$~{
{ 0%HAa|L,,
typedef picker < constant_t < T > > result; 4/3w
*
} ; #^|2PFh5
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > fo>_*6i74
{ h?4EVOx+
typedef picker < T > result; {A
,w%
} ; \YF;/KwX$
[;-;{
*{G
下面总的结构就有了: }9z$72;Qdq
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 N 5{w
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 &"Cy&[
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 wXdt\@Qr
至此链式操作完美实现。 +m~3InWq
9MQwc
/9D
mK%d
七. 问题3 pR`nQM-D
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 "_BWUY
sUxEm}z
template < typename T1, typename T2 > &i`(y>\
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const A+\rGVNH'S
{ pD~."fb
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ] ONmWo77o
} G(F=6L~;
?e+y7K}"]
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: 1guiuR4
A~0yMww:$
template < typename T1, typename T2 > ].QzOV'
struct result_2 q!5`9u6
{ Z%I 'sWOd
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; mv$gL
} ; 8 r0;054
D7B g!*
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? W ,]Ua]
这个差事就留给了holder自己。 #&K}w0}k
0Uk;&a0s
Tz\v.&? $
template < int Order > 3Dj>U*fP
class holder; c,G[R k
template <> Yfz`or\@=
class holder < 1 > x;STt3M~
{ c47.,oTo
public : '8@4FXK
template < typename T > l?^}n(_.
struct result_1 @zt "Y~9i
{ {HVsRpNEf
typedef T & result; 7<?Aou
} ; uF
D
template < typename T1, typename T2 > 4C;"4''L
struct result_2 q((%sWp
{ $JK,9G[Vu
typedef T1 & result; 99~-TiU
} ; NZXCaciG
template < typename T > G/1V4-@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const '|&?$g(\h
{ +' .o
return (T & )r; h4~VzCR4x\
} Vg"v C
template < typename T1, typename T2 > ]==S?_.B3n
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Y)AHM0;g
{ HJe6h. P
return (T1 & )r1; @<
0c
} {]7lh#M
} ;
G98f Bw
sA,2gbW
template <> `2G%&R,k"D
class holder < 2 > 4(8BWP~.y2
{ RAxp2uif
public : *Oh]I|?
template < typename T > FaG&U
struct result_1 Nqbm,s
{ m9$lOk4/
typedef T & result; 1#vi]CX
} ; 94[8~_{fG
template < typename T1, typename T2 > [Lid%2O3ZR
struct result_2 ~8lB#NuN
{ (+bt{Ma
typedef T2 & result; 6lQP+! EF
} ; d!4:nvKx
template < typename T > h,i=Y+1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {"*gX&;~
{ IG8I<+< o
return (T & )r; '=ydU+X
} >ZnnGX6$(
template < typename T1, typename T2 > R'B-$:u
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const *HQ>tvUh
{ nX+c
HF
return (T2 & )r2; /+?eSgM/
} SJ&+"S&
} ; f"G-',O<
~Z;.np(T
%07vH&<C.
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 bxAHzOB(\
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: j=PM]
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ]
N7(<EV/
}^*m0`H
return l(i, j) = r(i, j); "bvob G
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ,y[w`Q\
_j\8u`^n
return ( int & )i; cg}lF9;d
return ( int & )j; wF{M"$am
最后执行i = j; 7vB6IF
可见,参数被正确的选择了。 -dH]_
3\a VZx!
F Xp_`9.zH
xHuw ?4
rTA#4.*&
八. 中期总结 cIXqnb
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: cbv%1DT3
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 }?,Eb~q
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 XGDJC N
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 1 o\COnt
~4`3p=$
bHioM{S
,TQ;DxB}=E
g"X!&$&
O7zj8
九. 简化 ?q}:ojrs1
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 \|C~VU@
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 {:`XhPS<B
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ~{{@m]P
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 C9nCSbGMY{
+-*/&|^等 y:R+; 91
2. 返回引用。 =nG>aAG
=,各种复合赋值等 5DVSaI$ =
3. 返回固定类型。 zB#.EW
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 2%~+c|TH.)
4. 原样返回。 sO8F0@%aH(
operator, UZ7ukn-
5. 返回解引用的类型。 23P7%\
operator*(单目) d+&w7/F
6. 返回地址。 4-W~1
operator&(单目) Ew&|!d
7. 下表访问返回类型。 >ToI$~84
operator[] !w:pb7+G
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Xrzpn&Y=#
operator<<和operator>> F)=*Ga
w)"F=33}5
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 9mB] \{^
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ~5n?=
B8?j"AF
template < typename Left > ~f?brQ?
struct value_return dIk9C|-.
{ ZtX\E+mC
template < typename T > Ksvk5r&y
struct result_1 O2oF\E_6
{ Twpk@2=l
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; '$q3 Ze
} ; q
7hoI]
u Uh6/=y
template < typename T1, typename T2 > K,@} 'N
struct result_2 C@@PLsMg
{ D1Q]Z63,
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ]|B_3*A
} ; p}|<EL}Z9
} ; 9oj0X>| 1
nSq$,tk(
Bh()?{q
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait G Cp90
d"}lh:L9
下面我们来剥离functor中的operator() gyOAvx
首先operator里面的代码全是下面的形式: <P-AlHYV-
a#+;BH1
return l(t) op r(t) #[y2nK3zF
return l(t1, t2) op r(t1, t2) |5\:
E}1
return op l(t) 8j8~?=$a6Q
return op l(t1, t2) Kj#h9e
return l(t) op <|VV8r93
return l(t1, t2) op M#xol/)h
return l(t)[r(t)] ;tfGhHpQn
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] @Zfg]L{Lr
6\6g-1B`
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: ,sltB3f
单目: return f(l(t), r(t)); %m "9 =C
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); r9~I R
双目: return f(l(t)); )?k~E=&o