一. 什么是Lambda J ++v@4Z
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 oF:v
JDSS
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, X ]j)+DX>
U>qHn'M
ODw`E9
Xq#Y*lKVD
class filler 2)0b2QbQ
{ z!wDpG7b
public : M4f;/ `w
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} #@.-B,]
} ; !X^Ce)1K
cNK)5-
U
nhT(P`6
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: ).412I
)r6EW`$
P Ru&3BP
|CD"*[j]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); $K}DB N; 4
DT(d@upH
" {dek
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 l$Gl'R>>*
o+ O}Te
S]/b\B.h+
n%%7KTqu
二. 战前分析 5p"BD'^:
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。 Zk-~ar
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 hlJpElYf
7
h=QW5
#(;<-7M2
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); A$/\1282
/* --------------------------------------------- */ 0JyVNuHn
vector < int *> vp( 10 ); HM[klH]s=
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); "E*e2W
/* --------------------------------------------- */ "9y(
}
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); K7TzF&
/* --------------------------------------------- */ j f~wBmd7
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); lTRl"`@S
/* --------------------------------------------- */ ,I.WX,OR
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); VRng=,
/* --------------------------------------------- */ -%c<IX>z9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 6cS>bl
Do7=#|bAM
Vzlh+R>c
u0s8yPA
看了之后,我们可以思考一些问题: T/r#H__`
1._1, _2是什么? P1>AOH2yG
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。 JgRYljQi2
2._1 = 1是在做什么? ?V(^YFzZ
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。 zU5Hb2a
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。 u eb-2[=
CON0E~"
)Di \_/G
三. 动工 L5fuM]G`
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: d3Di/Iej
)U
t5+-UK
N5U)*U'-u
MmTC=/j
template < typename T > D1s4`V -
class assignment .3qu9eP
{ .N m su+s
T value; T?
,P*l
public : b-5y9 K
assignment( const T & v) : value(v) {} zDOKShG
template < typename T2 > \6I+K"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } l{c]p-
} ; ?Ke
eHMu
wEW4gz{s
! ]`
#JAL7
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 VaONd0Z I
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment zy'D!db`Z
&}6KPA;
ksR1kvTm
}YhtUWz].
class holder DPn=n9n2
{ ?DV5y|}pj
public : ~ Hy,7
template < typename T > ,FzeOSy'p
assignment < T > operator = ( const T & t) const 2;3f=$3
{ Kn;D?ioY
return assignment < T > (t); &BE
g
} vV?rpe|%
} ; c"tJld5F_
{No L
a`Qot
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: d@C&+#QDF
)v4b
static holder _1; \00DqL(Oj`
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 vxQ8t!-u
~p0c3*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); una%[jTc
而不用手动写一个函数对象。 nKr9#JebRC
K4Dp:2/K%
|]=2 }%1w
Q _iO(qu
6
四. 问题分析 ti5HrKIw
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。 \G@wp5
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。
UO Ug 4
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 K5t0L!6<+
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 !5@_j,lW(
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Os%n{_#8
-f1k0QwL
五. 问题1:一致性 a&{X!:X
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?| i+3fhV
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 vl Ez9/H
$!@\
struct holder -Ng'<7
{ EpJ4`{4
// K0+.q?8D|
template < typename T > 7xo4-fIuT
T & operator ()( const T & r) const RC#C\S6
{ NSAF4e
return (T & )r; y&[y=0!
} RkeltE~u
} ; )D-c]+yt
YZ$ZcfXDW
这样的话assignment也必须相应改动: qZEoiNH(Tj
tirIgZ
template < typename Left, typename Right > c?2MBtnu
class assignment w2O!M!1
{ o\otgyoh
Left l; ''OfS D_g
Right r; =,!\~`^
public : -~" :f8
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} \<0B 1m
template < typename T2 > `p kMN
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } = VLS/\A
} ; x3ERCqTR
_/* U2.xS
同时,holder的operator=也需要改动: 4F3x@H'
wu9=N
^x
template < typename T > I:V0Xxz5t
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const D<i[LZd
{ ow=UtA-^O
return assignment < holder, T > ( * this , t); # {fTgq
} +z9@:L
P|2E2=G
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。 &M/0g]4p
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 *Oc.9 F88"
|]Z:&[D]i
return l(rhs) = r; YKbCdLQ
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。 f~OU*P>V@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: kPBV6+d~
MF3b{|Z
template < typename Tp > -V"22sR]
class constant_t l+][V'zL
{ b*fgv9Kh'
const Tp t; WnwhSr2
public : R:JX<Ba
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 8l?piig#
template < typename T > &0TVi
const Tp & operator ()( const T & r) const YJS{i
{ *{undZ?(>
return t; dUgrKDNyA
} K'iIJA*Sn
} ; aKUS5jDu
thO ~=RB
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 j#~Jxv%n
下面就可以修改holder的operator=了 5 )2:stT73
=@u 5|:
template < typename T > b5IA"w
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const be5,U\&z
{ r!P}u
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); =K&\E2kA4
} "x941}
P X;Ed*y
同时也要修改assignment的operator() +5.t. d
PN~@
template < typename T2 > LAx4Xp/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } vhvdKD
现在代码看起来就很一致了。 Iu~\L0R427
8,O33qwH
六. 问题2:链式操作 ODc9r }
现在让我们来看看如何处理链式操作。 OI}
&m^IOo
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。 obK*rdg,
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。 ,U)"WLmY
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。 d_S*#/k
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct a"/#+=[
Q "oI])r
template < typename T > vN4Qdpdb
struct result_1 juAMAplf
{ h0?2j)X_
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; %puLr'Y
} ; jUj<~:Q}3o
~,D@8tv
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: J68j=`Y
UV}73Sp
template < typename T > Sj'ht=
struct ref J" j.'.
{ IYWjHE+)d
typedef T & reference; syx\gz
} ; ERUt'1F?]
template < typename T > JB</euyV
struct ref < T &> cN! uV-e
{ M)?dEgU}M
typedef T & reference; [w
-{r+[
} ; |CgnCUv+
QQk{\PV
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: QU{Ech'
?6Cz[5\
template < typename T > "HD+rmUEH
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const xy+QbDT
{ nmlPX7!{$
return l(t) = r(t); F Kc;W
} HhA -[p
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。 qZ@0]"h
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 <VjJAu
[MX;,%;;
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 He0=-AR8
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: O<9~Kgd8h
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 =9L$L|W
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 {-9jm%N
最后的布局是: nU+tM~C%a
Add g}&hl"j
/ \ k.h`Cji@
Divide 5 Z>F^C}8f
/ \ C7T(+Wd!,
_1 3 \u`)kJ5o1
似乎一切都解决了?不。 :Ud[f`t
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 ]u-SL md
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 :&}odx!-!C
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: '"pd
3[p_!eoW
template < typename Right > 0uVv<Q~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const K*K1(_x=
Right & rt) const Vi!Q
{ Xog/O i
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Jsg
I'
} 8B!aO/Km
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 :/YO ni1h
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 JnD{J`:
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 .=9s1~]
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 y$Zj?Dd#
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。 0?7XtC P<
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? t^=U*~
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: mIZwAKo
O|kKwadC
template < class Action > JL}\*
class picker : public Action !yjo
{ B UUf;Vv
public : 0m[dP
picker( const Action & act) : Action(act) {} RKd
// all the operator overloaded ydl jw
} ; W!$zXwY}(
UbJ*'eoX
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 vY6W|<s
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: wbbqt0un
hRaf#
template < typename Right > 5FvOznK^e
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const FHy76^h>e
{ u%|zc=
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); |YJCWFbs8
} ;SwC&.I
CDMfa&;T
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > tury<*
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 78#!Q.##
:2V^K&2L
template < typename T > struct picker_maker -P=g3Q i
{ hSqY$P
typedef picker < constant_t < T > > result; &Y|Xd4:
} ; Rz%e>)
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > @}F Awv^f
{ V|Tud
typedef picker < T > result; !KS F3sz
} ; XY7Qa!>7j
Ar9nBJ`
下面总的结构就有了: [um&X=1V8
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。 }m]q}r
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。 wWW~_zP0
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Q.-*7h8
至此链式操作完美实现。 4C_c\;d
huFz97?y(
9~AWn g
七. 问题3 /
YiQ\
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。 hp!d/X=J_
iCG`3(xL
template < typename T1, typename T2 > `ue[q!Qq
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~d>%,?zz
{ `linG1mF
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8"'x)y
} C.a5RF0
TT!ET<ciN
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: Hy;Hs#
Y8s;w!/
template < typename T1, typename T2 > 7l8[xV
struct result_2 E+_&HG}a
{ ;Kxbg>U
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; OTvROJP
} ; $j`
$[tX6l
%(m])
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? I d8wS!W`7
这个差事就留给了holder自己。 Os),;W0w4
V}8$p8#<@
#m. AN
template < int Order > eBB:~,C^q.
class holder; :1fagaPg
template <> oT+(W,G
class holder < 1 > }F1s
tDx
{ wJ"ev.A)
public : }Ag|gF!_
template < typename T > AMlV%U#
struct result_1 1IH[g*f
{ uF(k[[qaiN
typedef T & result; /9ZcM]X B
} ; 9G+f/k,P
template < typename T1, typename T2 > 64ox jF)
struct result_2 ,cHU) j
{ 'UwI*EW2S
typedef T1 & result; .CV _\
} ; Rc$h{0K8
template < typename T > AY2:[ 5cm
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \^532 FIw6
{ zok D:c
return (T & )r; t\y-T$\\
} ma8wmQ9 JR
template < typename T1, typename T2 > S)\8|ym6!
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 9/TY\?U
{ a<Uqyilm
return (T1 & )r1; 9w^zY;Y
} - V) R<
} ; 3P=w =~e
s${_K* g6
template <> =G>(~+EA
class holder < 2 > $3
8gs{+
{ 2hOPzv&B
public : zhEo(kU!
template < typename T > /)#8)"`nT
struct result_1 ziL^M"~2
{ _vYzF+
typedef T & result; <)#kq1b?
} ; U{1z;lJ
template < typename T1, typename T2 > us{nyil1
struct result_2 O]=C#E{
{ ?C;JJ#Ho
typedef T2 & result; D[Iqn
} ; w+UV"\!G)Q
template < typename T > h8}8Lp(/'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const g'lT
{ 8OAg~mQ15(
return (T & )r; H~9=&p[Q
} Z!\@%`0$
template < typename T1, typename T2 > xfHyC'?
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const !Tfij(91
{ F>Jg~ FD*
return (T2 & )r2; !oMt_k X
} C ?7X"~~
} ; b~Z=:'m8
D s-`
y4F^|kS) [
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> >。 #ooc)),
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: f'{>AKi=C
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 'h*Zc}Q:
TlPVHJyt
return l(i, j) = r(i, j); n(&*kfk
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) *BOBH;s
~mH+DV3
return ( int & )i; MW@ DXbKVl
return ( int & )j; XVUf,N,
最后执行i = j; $L{7%]7QC
可见,参数被正确的选择了。 ^
}#f()
:R+],m il
\C/z%Hf7-
g_ M-F
a!t
V6H
八. 中期总结 *T4ge|zUc
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: 5u,sx664
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 R;THA!
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 YNM\pX'
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 8~5|KO >F
S}gD,7@
XZO<dhZX:
OV|Z=EwJ
yX9B97XyC
*Mi6
九. 简化 1q!sKoJ<
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。 M {x ie
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 eTZ`q_LfI1
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: lIq~~cv)
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 O,9X8$5H-a
+-*/&|^等 >eo8
2. 返回引用。 k+\7B}7F
=,各种复合赋值等 q3\!$IM.
3. 返回固定类型。 I7Zq}Pxa
各种逻辑/比较操作符(返回bool) kPJ~X0Fr{t
4. 原样返回。 iEhDaC[e(b
operator, Yq;&F0paK
5. 返回解引用的类型。 MVAc8d S
operator*(单目) ,k%8yK
6. 返回地址。 M(S{1|,V
operator&(单目) y h-9u
7. 下表访问返回类型。 >4'21,q
operator[] VRhRwdC
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 8|<f8Z65!
operator<<和operator>> P%!q1`Eke(
)dg UmN
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。 0*{p Oe/u
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ):E'`ZP!F
$K=z
template < typename Left > 6DZ2pT:
struct value_return a}D&$yz2
{ X,53c$
template < typename T > t^$Div_%G
struct result_1 Ph\F'xROe
{ DZAH"sb
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; \[E-:
} ; v<fWc971
2V< # Y
template < typename T1, typename T2 > ST4(|K
struct result_2 H2]BMkum
{ MZi8Fo'
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; bVOO)
} ; *<3iEeO/R
} ; EEg O
-AeHY'T
tQnJS2V"{u
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait F\P!NSFZV
A?V<l<EAm
下面我们来剥离functor中的operator() faJ8zX
首先operator里面的代码全是下面的形式: Z{16S=0
bl9E&B/
return l(t) op r(t) G[B*TM6$
return l(t1, t2) op r(t1, t2) -9i+@%{/
return op l(t) :\T_'Shq
return op l(t1, t2) /K&