一. 什么是Lambda @b>YkJDk
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 nN!vgn
j
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, -y9Pn>~V
Ed8U;U b
fa/P%9db
C!oksI
class filler +KYxw^k}"7
{ Udg&
eEF
public : /6 A:J]Q_
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 2M5*bNU_:
} ; WCWSLEAza
'&1
u>j 5`OXo
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: DPR;$yV
z;``g"dSw
[Ja(ArO3|[
/ N*HE
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); U=_~{[/
=t~+63)
O>kXysM v>
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 :tg@HyY)
Cw@k.{*7,
DHSU?o#jY
V%VrAi.
二. 战前分析 8-W"4)@b
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Uv#>d}P
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 B=r]_&u-u
3m?@7 F
ID_|H?.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); oR!n bm
/* --------------------------------------------- */ &! 5CwEIF
vector < int *> vp( 10 );
rytGr9S
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 7/[TE
/* --------------------------------------------- */ -d\AiT
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); {yul.m
/* --------------------------------------------- */ iDyMWlV
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); w+URCj
/* --------------------------------------------- */ )UxQf37
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ski1f
/* --------------------------------------------- */ u-]vK
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); _3-RoA'UZr
5( mCBH
.`i'gPLkn2
7<Z~\3x
看了之后,我们可以思考一些问题: IF,i^,
1._1, _2是什么? ?HEo9/ *7
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 5#N"WHz!
2._1 = 1是在做什么? ir( -$*J
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。 S&;T_^|
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。 {Zd)U "
ui0J}DM
z&6]vN'
三. 动工 n0>5'm%ES
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: YL0WUD_>
1( QWt
E.En$'BvB
Q 37V!
template < typename T > ySPlyhGF
class assignment WOe{mwhhj
{ ?Oe_}
jv;
T value; bahc{ZC2
public : =0jmm(:Jh
assignment( const T & v) : value(v) {}
$\JQGic`
template < typename T2 > A>ug'.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } XSL
t;zL:
} ; +S:u[x
dvrvpDoE.
5Xq.=/eX
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 8k*
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment hSLwiX~
9~Y)wz
'>S8t/
` maN5)
class holder Y3sNr)qss
{ etQx>U
public : )f:!#v(K
template < typename T > X=*Yzz}
assignment < T > operator = ( const T & t) const x3p;H02i\
{ =F!",a~
return assignment < T > (t); :"y7Weh
}
?fqkM
} ; *1 J#Mdd
inq4CGY
4P-'(4I)
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: m,"cbJ
/
nf+"vr}1
static holder _1; +Y>cBSO
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 y:^>(l #;
sEgeS9a{
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Fh3Dc 83~
而不用手动写一个函数对象。 f6aT[Nw<
56j/w[&8
OJC*|kN-#^
E-7a`S
四. 问题分析 ]'bQ(<^#
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。 `*2*xDuP
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。 {XVf|zM,
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 \CEnOq
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 k:HSB</}
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ys"mP*wD
\8@[bpI@g
五. 问题1:一致性 ;?Y`e
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?| c+G :@%
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 l5N\>q
A=YEY n
struct holder A$9_aqbj
{ 41+E U Mc
// fSQ3 :o
template < typename T > b`={s
T & operator ()( const T & r) const Y&cjJ`rw
{ Ry*I~<m
return (T & )r; uN?O*h/(
} :Jsz"vCg&s
} ; VQW)qOR9
\Kzt*C-ZH
这样的话assignment也必须相应改动: 4d3]pvv
?T%K +
template < typename Left, typename Right > +ke42Jwt
class assignment QWQ6j#`
{ O]4
x;`)
Left l; :R _#'i
Right r; +ouy]b0`t
public : ~"4 vd 3
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} z6>ZV6(d2^
template < typename T2 > #t9=qR~"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } rc{[\1 -N
} ; :QhEu%e
"'p+qbT8
同时,holder的operator=也需要改动: }s)&/~6
=~2 Uv>YG
template < typename T > j/` qd(=B
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Lq8Z!AIw>
{ ]F)-}
return assignment < holder, T > ( * this , t); NcY0pAR*
} Q17o5##x7
W;AWO0+
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Q!A3hr$IF
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 'frL/[S
p/^\(/\])
return l(rhs) = r; 'I01F:`
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。 N\?Az668?
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Nz;*;BQK:
}W>[OY0^A
template < typename Tp > }SvWC8
class constant_t \5pAG
mgD
{ iJj?~\zp
const Tp t; ;g)Fhdy!
public : `F`'b)
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Vh[o[ U
template < typename T > y2hFUq
const Tp & operator ()( const T & r) const hm} :Me$[)
{ v>cE59('0
return t; k2,oyUT=S
} 1NHoIX
} ; M$hw(fC|m1
F3r
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Ch&]<#E>`
下面就可以修改holder的operator=了 ~^5n$jq
z&J ow/
template < typename T > [<1+Q =;
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const #1hz=~YO
{ Am`A[rV0
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 58ZiCvqv
} JhXN8Bq33
^9f`3~!#bc
同时也要修改assignment的operator()
G#n)|p
7a_n\]t465
template < typename T2 > A VG`r2T
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } jO
N}&/
现在代码看起来就很一致了。 z ex.0OT;
cb&In<q
六. 问题2:链式操作 6f9<&dCK
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Y52xrIvl\
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><lz
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。 v2=!*
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。 [?6D1b[
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct tnbs]6
+dpj?
template < typename T > ^dKaa
struct result_1 6e-h;ylS
{ '#
2J?f'
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 4J2F>m40
} ; GoA>sK
T@.m^|~
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: t>u9NZt G
~vZzKRVS
template < typename T > u,9U0ua@;
struct ref &fhurzzAm
{ ]8nm9qmF<
typedef T & reference; ?(UXK hs
} ; kAQ Zj3P]
template < typename T > 9s6lt#?b
struct ref < T &> [|O6n"'
{ {+mkXp])R
typedef T & reference; :=7;P)
} ; Ywq+l]5/p
bjX$idL
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Jl9TMu!1]
_rh.z_a7w
template < typename T > BCB/cBE
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const <a}|G1 h
{ zd]L9 _
return l(t) = r(t); ^G<M+RF2J
} QHz76i!=>
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 p<['FRf"
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 PY<V
~7lvY+k)<
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 5F?g6?j{
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: <:t\P.
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 +ANIm^@
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 S.>9tV2Ca
最后的布局是: +-137!x\q
Add #$)rwm.jW?
/ \ H
pfI
Divide 5 =W^L8!BE'
/ \ Z6ex<[`I
_1 3 ?kefRev<#h
似乎一切都解决了?不。 R6.#gb8^oS
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。 .]l2)OlLQ
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。 7B :aJfxM
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: .HJHJ.Js8X
B\w`)c
template < typename Right > DQQjx>CK
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const @= 9y5r
Right & rt) const 64s;6=
{ rqo<Xt`
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); $^ 3 f}IzA
} v> PHn69PU
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 e-t`\5b;
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 {<BK@U
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 |?W
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 8{e 3
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 e@VRdhb
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ^/,yZ:
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: mmK_xu~f28
U<gw<[>f
template < class Action > Ro$XbU)
class picker : public Action ~`fB\7M
{ h:90K
public : #<3\}*/
picker( const Action & act) : Action(act) {} 4 l(o{{
// all the operator overloaded 8r,%! 70
} ; |th )Q
_xsYcw~)
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。 vBXr[XoC
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:
H:Le^WS
,' B=eY,
template < typename Right > gC 4#!P
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const (k45k/PAP
{ -6>rR{z
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); r&RSQHa)
} ^Y |s^N
=c4U%d2
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > mg]dK p
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。 'M/&bu r
>fQN"(tf
template < typename T > struct picker_maker tBQ>
p.
{ G8'3.;"W5
typedef picker < constant_t < T > > result; WKML#U]5T
} ; -]%@,L^@
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > e)7r
{ x N)Ck76
typedef picker < T > result; Op~+yMef
} ; H0 t1& :
"(GeW286k
下面总的结构就有了: EG6fC4rfC
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。 IgJC>;]u
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。 %4J?xhd
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 UPF=X)!M
至此链式操作完美实现。 O:)@J b2
_aYQ(FO
!vw0Y,F&
七. 问题3 {\I\4P
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。 [j39A`t7
o
KG@hjO
template < typename T1, typename T2 > L4%LE/t|e
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const jRc#>;dN
{ Yw0@O1Cel
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); M`'2
a
} +>j_[O5Y
^<-SW]x
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: Vo()J4L
xH uyfQLk
template < typename T1, typename T2 > ipG+qj/=
struct result_2 ww,'n{_
{ Ns(F%zkm
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; @}:(t{>;e7
} ; fJKOuFK
zT"#9"["
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? 9"TPDU7"
这个差事就留给了holder自己。 |.5d ^z
Dlp::U*N'
M*%Z5,Tc
template < int Order > *d 4D9(
class holder; +,,~<Vm
template <> /2 (F
class holder < 1 > qS>el3G
{ }dCnFZ{K3
public : 3V]a "C
template < typename T > Tec6]
:
struct result_1 T=vI'"w
{ ="4 )!
typedef T & result; :M16ijkx
} ; LJ?7W,?
template < typename T1, typename T2 > '4EJ_Vhztc
struct result_2 ~Q5HM
{ lUmaNZ
typedef T1 & result; uP:'e8
} ; ja2LXM
template < typename T > *
-)aGL
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ^)WGc/
{ f`cO5lP/:)
return (T & )r; oT
OMqR{"
} GI/o!0"_
template < typename T1, typename T2 > /OEj]DNY
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ? T9-FGW
{ 8l6R.l
return (T1 & )r1; *=rl<?tX
} y7JJ[:~~
} ; r?{tBju^
gO29:L[t
template <> xpae0vw
class holder < 2 > YC{od5a
{ umY4tNe]$
public : 92EvCtf
template < typename T > IIzdCa{l
struct result_1 0oD?4gn
{ B|tP3<
typedef T & result; i -+B{H
} ; !^w+<p
template < typename T1, typename T2 > i9Qx{f88
struct result_2 O:4.xe
{ ."${.BPn~
typedef T2 & result; ZDlMkHJ
} ; J}BS/Tr}=
template < typename T > L49`=p<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1Ypru<.)W
{ ?g1%-F+
return (T & )r; 7P=j2;7 v
} "[76>\'H
template < typename T1, typename T2 > RDZl@ps8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const EI'(
{ R4{2+q=0
return (T2 & )r2; 9k1n-po
} tR1
kn&w
} ; I_4'9
C;_10Rb2ut
K*>lq|iu
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 F9N)UW:w
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: |+%K89W
首先 assignment::operator(int, int)被调用: \59+JLmP4
B+ +:7!
return l(i, j) = r(i, j); M '[.ay
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) .7"
f~%&oP
X2~>Z^,
U
return ( int & )i; ~!\n
return ( int & )j; Ji gc@@B.
最后执行i = j; !ce5pA
可见,参数被正确的选择了。 49cQA$Ad
1-4W4"#
>O?5mfMK
4 QD.'+L
Qn_*(CSp
八. 中期总结 5\lOZYHX
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: <GT&q <4w
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 (bY#!16C:
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 > -OQk"o
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ND77(I$3s
adRvAq]mA
<J!#k@LY]7
'(4$h3-gv7
dX?8@uzu
8wMu^3r
九. 简化 %3!DRz
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。 l.Iov?e1S
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 LNOm"D?"
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: .IXkdy
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 v!JQ;OX
+-*/&|^等 0rP`BK|
2. 返回引用。 'tm%3`
F
=,各种复合赋值等 3=SIIMp7=
3. 返回固定类型。 #-r,;
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 9)}Nx>K
4. 原样返回。 KeFEUHU
operator, '7Q5"M'
5. 返回解引用的类型。 ZUPlMHc
operator*(单目) mWN9/+!
6. 返回地址。 Q4i@y6z
operator&(单目) qn=~4rg]R
7. 下表访问返回类型。 +X#JCLD
operator[] [Vzp D 4
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 !(QDhnx}9c
operator<<和operator>> K)=<hL
\-i5b
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。 a$-:F$z
例如针对第一条,我们实现一个policy类:
:.u[^_
Y_S>S(0
template < typename Left > 7S'3U}Y>VX
struct value_return @'XxMO[Z!<
{ JWzN 'a R
template < typename T > ti%uyXfja
struct result_1 (^,4{;YQ5
{ u6tD5Y
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; !5FZxmUup
} ; E3%:7MB
SY &)?~C
template < typename T1, typename T2 > ,-({m'
struct result_2 k?[|8H~2C
{ "eRf3Q7w:
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; n_ORD@$]
} ; ^6c=[N$aW
} ; =\u QGH
wX7|a/|@
c:>&iB-Yu
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ZoFQJJK56B
PH$fDbC8
下面我们来剥离functor中的operator() $d:>(_p=A
首先operator里面的代码全是下面的形式: "lU%Pm]>
9'tOF
return l(t) op r(t) #*r u*
return l(t1, t2) op r(t1, t2) [,_4#Zz
return op l(t) b3$aPwv
return op l(t1, t2) [
QHSCF5
return l(t) op @!;EW
R]
return l(t1, t2) op 0C3s
return l(t)[r(t)] B-EVo&.
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] O:K={#Xj
`VJJ"v<L
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: R>
r@[$z+
单目: return f(l(t), r(t)); <]9%Pm#X
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); =~7%R.U([e
双目: return f(l(t)); [ vWcQ6m
return f(l(t1, t2)); F?>rWP
下面就是f的实现,以operator/为例 ~QVN^8WPg
I)9un|+,y
struct meta_divide !+Ia#(
{ \:`'!X1*U
template < typename T1, typename T2 > /<J&ZoeJB
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) qhNY<
{ S4qj}`$
Yv
return t1 / t2; e<