一. 什么是Lambda "wPA;4VQ
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 @yGK$<R
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, JYAtQTOR
v?s]up @@h
|UudP?E
3`Ug]<m
class filler gs xT
{ *btLd7c%
public : P#0U[`ltK
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} LTn@OhC
} ; '7Ad:em
S=
NG J0
v$WH#;(\
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: 6w? l
I
mJ'Q9x"
N7wKaezE
uVSc1MS1
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); _v[yY3=3
~BUzyc%
/k$H"'`j4
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 3d1$w
=7e|e6
)335X wA+
#Epx'$9
二. 战前分析 We8n20wf<
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 o4[
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 @|=JXSr!KY
:2Fy`PPab
2\b 2W_
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); KTmduf7DL
/* --------------------------------------------- */
7U3b YU~;
vector < int *> vp( 10 ); @5[9iY
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 03%`ouf
/* --------------------------------------------- */ ~!Ar`=
[
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Lddk:u&J
/* --------------------------------------------- */ A>bpP
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); MF41q%9p
/* --------------------------------------------- */ WGK:XfOBQ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); K> rZJ[a
/* --------------------------------------------- */ K1_]ne)
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); mDCz=pk)
sC<
B
^D}]7y|fm
5n1aRA1
看了之后,我们可以思考一些问题: Qf'%".*=~8
1._1, _2是什么? <=yqV]JR
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 &az
:YTq
2._1 = 1是在做什么? YF4?3K0F:k
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 #s}cK
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 {hNvCk
(C&Lpt_
%XQ!>BeE
三. 动工 d3IMQ_k
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 2_i9
q>I
j "^V?e5
2!Gb4V
O^2@9
w
template < typename T > hoOT]Bsn
class assignment M'gL_Xsei
{ T,
z80m}
T value; 5gg
Yg$
public : b@>MA
assignment( const T & v) : value(v) {} 5;alq]m7
template < typename T2 > )5j1;A:gr
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } drM@6$k
} ; oPbxe
[bK5q;#U4
hi.`O+;
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 fDzG5}i
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ^W*T~V*8
&yabxl_
} vzNh_
C3hQT8~
class holder 4[ .DQ#r
{ '=V!Y$tn
public : rD?G7l<~>_
template < typename T > q!y6K*
assignment < T > operator = ( const T & t) const :|5\XV)>
{ O^L#(8bC
return assignment < T > (t); w y\0o
} J?1U'/Wx2
} ; "J_#6q*
[#3*R_#8R
Rt6(y #dF
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: \I[f@D-J
Osk'zFiL<
static holder _1; WxrGoo^
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 g2|qGfl{C
kgl7l?|O
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &|
guPZ
而不用手动写一个函数对象。
!VzbNJ&'
+{5y,0R
e{}oQK
)<+t#5"
四. 问题分析 )[]*Y]vSx
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。 :MF F*1
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。 vTk\6o q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 2x<A7l)6
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 937 z*mh
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Ht,dMt>:
7%0V ?+]P
五. 问题1:一致性 |l#<vw
wE
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?| h@H8oZ[
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 IHs^t/;Iv
|ler\"Eu
struct holder !Y95e'f.x
{ @L/p
// e%wzcn
template < typename T > {pR4+g
T & operator ()( const T & r) const ~ 7^#.
{ pFW^
return (T & )r; ! !we4tWq
} _=Eb:n+X
} ; ~0T;T
tF&g3)D:NV
这样的话assignment也必须相应改动: mV'XH
q[
-YXO
template < typename Left, typename Right > /]@1IC{Lk
class assignment a:V2(nY
{ 5nA
*'($j
Left l; *)|EWT?,
Right r; IBn+42V
public : oWP3Y.
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ~B704i
template < typename T2 > <{Pr(U*7}
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } JsA.jqkB
} ; [zw0'-h.
,jc')#]9B
同时,holder的operator=也需要改动: -
fx?@
&&s3>D^Ta
template < typename T > f$|AU-|<
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Ix59(g
{ ~_GW
return assignment < holder, T > ( * this , t); |~d8j'rt
} TaqqEL
.VG5 / 6zp
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。 rQLl[a
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 02RZ>m+
CUI\:a-
return l(rhs) = r; ^lP;JT?
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"q^R IU
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 6M^NZ0~J
}1}L&M@
template < typename Tp > iU1yJ=
class constant_t pcC/$5FQ
{ hziPHuK9,
const Tp t; vvwQ/iJO4Q
public : \nbGdka
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} "+sl(A3`U
template < typename T > j0q:i}/U,
const Tp & operator ()( const T & r) const =Y]'wb
{ ,3P@5Ef
return t; S9mcThcZ
} wOLA8UYW
} ; ^NB\[ &
9,J^tN@^
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 AL{r/h
下面就可以修改holder的operator=了 hVe39BBtO
,u@Vi0
template < typename T > ZT
d)4f
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const b uOpHQn
{ bZ-_Q
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); gCjW !t
} /<e<-C*d&<
(Z |Nz *<
同时也要修改assignment的operator() ^/M-*U8ab
l+XTn;cS
template < typename T2 > sogdM{tz\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 6cVJu%<V
现在代码看起来就很一致了。 jV 982Y
[~Vj(H=KwI
六. 问题2:链式操作 [yn\O=%5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 \NF5)]:
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。 b
sM]5^
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#Dae\w&
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。 HOSt0IHzty
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct *$ kpSph
kW4B
@Zh
template < typename T > $GJuS^@%
struct result_1 &$NYZ3?9
{ )C&'5z
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; O-,0c1ts
} ; ;_iDiLC;
x"83[0ib
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: (CR]96n
kD\7wz,ui
template < typename T > yLgv<%8f
struct ref oU)Hco "_k
{ LM2S%._cj;
typedef T & reference; Q^ }Ib[
} ; 6^VPRp
template < typename T > L )53o!
struct ref < T &> 5D6 ,B
{ ,ui=Wi1
typedef T & reference; _)XZ;Q
} ; ! lxq,Whr{
`)TuZP_)
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: c_Lcsn
EGw;IFj)
template < typename T > vT{+Z\LL=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const khQ@DwO*\=
{ h]>7Dl]
return l(t) = r(t); ko+fJ&$
} _uq[D`=
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。 :x[SV^fw[
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ep)O|_=
H~<w*[uT
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 Yow
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: yB5JvD ?
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 4'#?"I
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 OVUJiBp
最后的布局是: vJ9IDc|[
Add /I48jO^2
/ \ {JlSfJw!
Divide 5 qtlcY8!
/ \ L]Dq1q8`
_1 3 A/TCJ#>l
似乎一切都解决了?不。 b<27XZ@
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。 wBI>H
7A
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。 A/sM
?!p>_
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: &HB!6T/
|
{Tq/
template < typename Right > K};~A?ET,h
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 1"S~#
Right & rt) const P^^WViVX
{ {wh, "Ok_
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ' '<3;
} jT*?Z:U
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 7-VP)|L#G
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。 *X\J[$!
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 0q o]nw
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 3W3)%[ 5
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 f-`C1|\w
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ]XjL""EbC
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: e]*@|e4b
UW'@3#<?
template < class Action > 4`/Td?THx
class picker : public Action 9 GtVcucN
{ p8(Z{TSv
public : `5
Iaz
picker( const Action & act) : Action(act) {} a`6R}|ZB
// all the operator overloaded Dg}$;PK
} ; $ww0$
;[B-!F>
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。 +'9E4Lpx
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: agd^ga3
D9JHx+Xf>
template < typename Right > UIC~%?oIA
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const yrG=2{I
{ S*V!t=
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); &3f^]n!@
} .&2~gA
g4^3H3Pd
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > yY_#fJj
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。 zuS4N?t`p
uc
Ph*M
template < typename T > struct picker_maker 0]xp"xOwW
{ MW|R)gt
typedef picker < constant_t < T > > result; f~:wI9
} ; gMs B1|
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Z '~Ie~
{ j:7AVnt
typedef picker < T > result; u;9a/RI
} ; ^@f.~4P*I
heScIe
N^`
下面总的结构就有了: .oqe0$I
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。 LRqlK\
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。 j8W<iy
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 0M!GoqaA
至此链式操作完美实现。 e.WKf,e"X
uxlrJ1~M
v}TFM
七. 问题3 d' l|oeS
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。 (,D:6(R7t
y I} >
template < typename T1, typename T2 > kD}vK+
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Y)2#\ F
{ (qzBy \\p
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); '7
t:.88
} 2
ZyO
"R]wPF5u
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: '"T9y=9]s
fZb}-
template < typename T1, typename T2 > Gn^m 541
struct result_2 $"ACg!=M
{ X#tCIyK,nV
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Y|S>{$W
} ; $r)NL
1E=E ?$9sg
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? x/0loW?q^
这个差事就留给了holder自己。 x/ix%!8J
=w/AJ%6
N@X(YlO
template < int Order > LfN,aW
class holder; R>B6@|}?
template <> h@dy}Id
class holder < 1 > tLcw?aB
{ og&-P=4O
public : zUq(bD
template < typename T > Qna*K7kv
struct result_1 fr`Q
5!0
{ ~ ReX$9
typedef T & result; Q/0oe())
} ; 1A[(R T]
template < typename T1, typename T2 >
Vfw H:
struct result_2 S6Y:Z0
{ $\q.Zb
typedef T1 & result; f)mOeD*u|
} ; DFvGc`O4
template < typename T > "^)GnK +-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ^!z(IE'
{ MT6"b
return (T & )r; -Jt36|O
} biV NZdA
template < typename T1, typename T2 > gwr?(:?
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const <[K3Prf C
{ q:=jv6T#
return (T1 & )r1; Dus!Ki~8(t
} 0lV;bVa%
} ; Mh
MXn;VKj
HPg%v|
template <> N`~f77G
class holder < 2 > F\^\,hy
{ +ViL"
public : Q\>mg*79
template < typename T > X#HH7V>
struct result_1 nuVux5:
{ %y7ZcH'
typedef T & result; .osG"cS
} ; qWf[X'
template < typename T1, typename T2 > USaa#s4'
struct result_2 ) O&zb_{n
{ q[9N4nj$<
typedef T2 & result; r&IDTS#
} ; DP;:%L}
template < typename T > 'Va<GHr>+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .PV(MV
{ _Tm]tlV
return (T & )r; UA(4mbz+
} @v3)N[|d
template < typename T1, typename T2 > 3D^cPkX
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const qHT73_R
{ } =Xlac_U
return (T2 & )r2; gAVD-]`
} !cdY`f6x
} ; K-@\";whF
p5% %k-
/nv+*+Q?d
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> >。 :dNJ2&kJ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Gpi_p
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ,Xr`tQ<@
b I`JG:^b
return l(i, j) = r(i, j); bZr,jLEf
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ?1zGs2Qs
^;F5ymb3U
return ( int & )i; +25=u|#4r
return ( int & )j; aqWlX0+
最后执行i = j; A3*(c3
可见,参数被正确的选择了。 NCY2^
z`.<dNg
'$eJATtC
{> 8?6m-
Z/!awf>
八. 中期总结 *_7/'0E(3
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: o';/$xrH
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 8vtembna4
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @WJ\W `P
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor \Rb:t}
^do6?e`?-
>#'?}@FWQN
^b}Wl0Fn
C/H;|3.X
bwcr/J(Nb
九. 简化 LAY:R{vI
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。 _*n
`*"
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 m
OE!`fd
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: FD&^nJ_{
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 J#ClQ%
+-*/&|^等 qS"#jxc==+
2. 返回引用。 ]T)<@bmL
=,各种复合赋值等 !d U$1:7
3. 返回固定类型。 t%J1(H
各种逻辑/比较操作符(返回bool) }}ic{931
4. 原样返回。 */_ 'pt
operator, IF-y/]
5. 返回解引用的类型。 Jz3,vVfQ:
operator*(单目) !s?SI=B8
6. 返回地址。 FvYciU!
operator&(单目) as('ZD.9
7. 下表访问返回类型。 L &hw-.Q
operator[] >fth
iA
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 s$?LMfT
operator<<和operator>> &CSy>7&q