一. 什么是Lambda Fop'm))C8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 2t"&>1
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, ,qO2D_
^
Nm!b
r4Jc9Tvd
Y**|e4
class filler +`~6Weay
{ y8=H+Y
public : *Nh[T-y(s
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} -85W/%
} ; xsdi\
j;n>
0:4w@"Q
qFYM2
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: ju?D=n@i
G^/8lIj
rnTjw
"%
$y+Bril5W
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); o@tc
<;nhb
[&a=vE
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 YhNO{4D
/%w3(e
$[DSe~
l^%W/b>?b
二. 战前分析 K';x2ffj
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 :f5"w+
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 [}t^+^/
mR6hnKa_53
/p_#8}Uh
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); E*X-f"
/* --------------------------------------------- */ U/3<p8
vector < int *> vp( 10 ); El#"vIg(\
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); JP*VR=0k?
/* --------------------------------------------- */ -yP_S~\n
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); %T'<vw0
/* --------------------------------------------- */ 6E@qZvQ
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); &a
bR}J[
/* --------------------------------------------- */ }IGoPCV|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); j$Z:S~*
/* --------------------------------------------- */ `5CuH
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Tg~SGAc
|#?:KvU97E
#J09Eka;J
-{rUE +
看了之后,我们可以思考一些问题: D>efr8Qd@
1._1, _2是什么? s'JbG&T[J
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。 yRv4,{B}X>
2._1 = 1是在做什么? G2BB]] m3
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。 Kk9W=vd
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。 p?XVO#
(N
:vDq'
c}r"O8M
三. 动工 W 2.Ap
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: o-_H+p6a
A$ Ok^
T.?}iz=ZEq
]XhX aoqL
template < typename T > wY6m^g$h3
class assignment 38l 8n.
{ YecV+K'p:
T value; ;dVYR=l
public : FEwPLViso
assignment( const T & v) : value(v) {} ;"Q.c#pA$g
template < typename T2 > @m+2e C77
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } %29lDd(<
} ; B
EB[K2[9
!)$e+o^W
@\s*f7
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 G24Ov&H
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 7/b\NLeJ'
)LDBvpJyQ
5Sv;a(}
JsD|igqF-
class holder vA&MJD{
{ BMs?+
public : w9]HJ3qi
template < typename T > 2U.'5uA"L
assignment < T > operator = ( const T & t) const ;G|#i?JJ
{ '
>R?8Y
return assignment < T > (t); x,: DL)$1
} 5~GH*!h%;
} ; ,zVS}!jRhy
"cD MFu
5e}adHjM
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: q)PLc{NO
^LAnR>mz^r
static holder _1; &Xh_`*]ox
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 :^H2D=z@
[2\jQv\Y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?8]g&V
而不用手动写一个函数对象。 B3g#)
<e'/z3TbRW
L-eO_tTh0
<@H`5[R
四. 问题分析 _2
oZhJ
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 s&7TARd
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 DrA\-G_7
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 (j?ckah%V
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 v@ifB I
下面我们可以对这几个问题进行分析。 JpE7"Z"~MS
hAU@}"=G
五. 问题1:一致性
34<k)0sO
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| GW,RE\Q:
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ]@{l<ExP
PT39VI
=
struct holder TY;%nT
{ Q4ZKgcC
// Kw=][}d`D
template < typename T > ,s`4k?y
T & operator ()( const T & r) const ]8f$&gw&A
{ 4t,f$zk
return (T & )r; \c4D|7\=
} S\L^ZH?[2
} ; ~yiw{:\
+$$5Cv5#<&
这样的话assignment也必须相应改动: =A{s,UP
^C'{# p"
template < typename Left, typename Right > bXi(]5
class assignment of8
>xvE|
{ %>-?oor
Left l; [\-)c[/
Right r; Y1G/1Z# 2
public : :!yPR
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} uj:1_&g
template < typename T2 > ~,7Tj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } GBY{O2!3u
} ; *i>hFNLdOM
UM2yv6:/
同时,holder的operator=也需要改动:
~S\8 '
4JRQ=T|P7I
template < typename T > pi5DDK
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const C#n.hgo>I
{ uCoy~kt292
return assignment < holder, T > ( * this , t); B`)TRt+'.
} I]a [Ngj
*k@D4F ruP
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。 MM6PaD{
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 k)9+;bKQQ
c#-*]6x
return l(rhs) = r; DE+k'8\T
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。
Clb7=@f
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: N}nE?|N=5
hP}-yW6]
template < typename Tp > ~r_2V$sC2
class constant_t E24j(>
{ {YG qa$+\
const Tp t; NOmFQ)/ &
public : L+~XW'P?
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 6^lix9q7
template < typename T > Gk
xtGe
const Tp & operator ()( const T & r) const (8~D^N6Z
{ 0BH-kr
return t; ~n$\[rQ
} h>F"GR?U_(
} ; p3>Md?e
;iW>i8
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 J9MAnYd)i
下面就可以修改holder的operator=了 U>sEFzBup
`O5427Im
template < typename T > |w+
O.%=
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Ww"]3
{ |*^}e54
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); [=",R&uD$
} > `mV^QD
b
+Z/nfS
同时也要修改assignment的operator() &*745,e
5WvsS(
9H
template < typename T2 > ^$X|Lq
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } jYvl-2A'
现在代码看起来就很一致了。 xz,o Mlw
0Y:)$h2?
六. 问题2:链式操作 {T-^xwc
现在让我们来看看如何处理链式操作。 GS7'pTsYH
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。 0
vYG#S
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。 m41%?uC/
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。 zXU
g( xu
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct bDm7$ (
nM ?Nf}
template < typename T > G4rzx%W?
struct result_1 )U7fPKQ
{ ]s!id[j
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 94^b"hU
} ; 7&D)+{g
CO9PQ`9+
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: c2Exga_
)iZU\2L
template < typename T > c&N;r|N
struct ref L|L|liWd
{ g5RH:]DV
typedef T & reference; KMK8jJ
} ; |f/Uzd ~
template < typename T > VN(*m(b
struct ref < T &> I9Uj3cL\
{ G&@dJ &B
typedef T & reference; QBG jH^kL
} ; I ~^Xw7
!XM<`H/
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: uE<8L(*B
^B%c3U$o
template < typename T > g"k4Z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 2r;h">
{ a
9{:ot8,
return l(t) = r(t); _aBy>=2c$
} u!&T}i:
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。 U{/fY/kq
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 l~w^I|M^C
seRf q&
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
/.=aA~|
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: CBF<53TshR
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 lSlZ^.&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 QnP?j&
最后的布局是: G+Bk!o
Add '2hy%
/ \ 2g~ @99`
Divide 5 <QO1Yg7}
/ \ 0kNKt(_
_1 3 D4C:%D
似乎一切都解决了?不。 7qZC+x6_L
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。 -FI)o`AE
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。 lC`w}0p
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: 4<Nd5T
:WX
OD
template < typename Right > u|T]Ne
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const /zb/am1#
Right & rt) const (z.n9lkfi
{ ZNM9@;7
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); |TP,
} ^,mN-.W
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 lM}-'8tt?
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。
iF":c}$.
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。 1G.?Y3DC<
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^z{,
u;!
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。 2~l7WW+lx,
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? F_9
4k
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: k52IvB@2
MmfBFt*
template < class Action > +3o0GJ
class picker : public Action < \fA}b
{ ?|/K(}
public : *9uNM@7&0
picker( const Action & act) : Action(act) {} ^_g%c&H
// all the operator overloaded !LM`2|3$
} ; M.
%
p'^5
$5.52
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。 E?czolNl
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: Dr:M~r'6
ACi,$Uq6R
template < typename Right > hczDu8
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const P+CdqOL
{ }Hq3]LVE
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Ez"*',(
} Y]KHCY
`e~i<Pi
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > [@5cYeW3.
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。 `2LmLFkb
=}kISh
template < typename T > struct picker_maker mXyN{`q=
{ U;4i&=.!
typedef picker < constant_t < T > > result; "uT2 DY[
} ; Y0krFhL'x0
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 9jY+0h*uP
{ {:*G/*1[.
typedef picker < T > result; ?bt;i>O\
} ; tpEy-"D&
wpt$bqs|1
下面总的结构就有了: @&`^#pok
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。 OylUuYy~j
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。 yj#FO'UY
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ZS4dW_*[
至此链式操作完美实现。 )B"{B1(
2uN3:_w
DbLo{mFEIj
七. 问题3 bGL} nPo
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。 J`)/\9'&&
+6$+]u]
template < typename T1, typename T2 > =}Zl
E
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const cW_wIy\]&
{ i%.k{MY
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); bf+C=A)s0
} aJf3rHX
u"(NN9s
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: Y'~O_coG
!j`<iPI7B
template < typename T1, typename T2 > m BFNg3_
struct result_2 kP+,x H)1
{ /;+\6(+X
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; fdX|t"oz
} ; ][tR=Y#&y5
m//aAxmB
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? T9&{s-3*
这个差事就留给了holder自己。 WZn;u3,R
;Ivv4u
%(p9AE
template < int Order > l+>Y
class holder; ;`LG WT-<F
template <> ,$/Ld76U
class holder < 1 > 5I1YB+$}e
{ nRB3VsL
public : R*2N\2
template < typename T > 3IQI={:k|D
struct result_1 +DXP&Q
{ fX 1%I
typedef T & result; KYw7Jx`l
} ; <=GZm}/]N
template < typename T1, typename T2 > E;s_=j1f
struct result_2 ^pd7nr~Y
{ %q3`k#?<
typedef T1 & result; .O'~s/h
} ; aT IzfqCM
template < typename T > No6-i{HZ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const XP
o#qT8n
{ poW%F zj
return (T & )r; d]E={}qo&
} xok
T
template < typename T1, typename T2 > f4\$<g/~
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 0C%IdV%CU
{ lSaX!${R'T
return (T1 & )r1; XXn3K BIf
} xtD(tiqh.;
} ; T=u"y;&L
]
&" `
template <> }(!Uq
class holder < 2 > ; 8DtnnE
{ BRM `/s
public : {g1"{
template < typename T > VFZ?<m
struct result_1 ,M?8s2?
{ D
C/X|f
typedef T & result; n/(}|xYU
} ; N8At N\e
template < typename T1, typename T2 > IMbF]6%p(
struct result_2 5o 5DG
{
=cS5f#0
typedef T2 & result; JD0s0>q_
} ; ],0I`!\
template < typename T > dR.?Kv(,E
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const LKc p.i
{ =,;$d*h
return (T & )r; frPQi{u$
} Z3c\}HLY
template < typename T1, typename T2 > _[z)%`kay
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const -ak.wwx\
{ FWW@t1)
return (T2 & )r2; /iM1
} G\MeJSt*
} ; K;"oK
0LL65[
HP_h!pvx
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> >。 )e'F[
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: #z&R9$
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 6M7GPHah
<";1[A%7<
return l(i, j) = r(i, j); 4(P<'FK $
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Cq/u$G
%vy,A*
return ( int & )i; 2HBey
return ( int & )j; aW dI
最后执行i = j; @d~]3T
可见,参数被正确的选择了。 :Ob^b3<t
a@jM%VZ
OET/4(C
8g)$%Fy+N
zF^H*H
八. 中期总结 .hxFFk%5
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: v&;JVai
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 5lD`qY
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 YHom9&A
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor }]dzY(
1+-Go}I
Kgi`@`
zE1=P/N
QnBWZUI
&F:.V$
九. 简化 ;%
KS?;%[
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。 B.od{@I(Xp
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 FIfLDT+ Wh
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: ~E8/m_> rU
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 SC%HHu\l
+-*/&|^等 hM!g6\ w
2. 返回引用。 zj2y=A|Y
=,各种复合赋值等 !m~r0M7
3. 返回固定类型。 %pOxt<
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 9#1?Pt^{<
4. 原样返回。 s 7wA3|9
operator, G$'UK
5. 返回解引用的类型。 9]ZfSn)
operator*(单目) (-0d@eqw
6. 返回地址。 :}fA98S
operator&(单目) YU6|/
<8
7. 下表访问返回类型。 @8m%*pBg
operator[] =to.Oa RR
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 p|nPu*R-\
operator<<和operator>> "{E%Y*
~"\v(\P e
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 Q'3tDc<
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Z]{=Jy!F
lx5.50mI
template < typename Left > {g[kn^|
struct value_return ndDF(qHr
{ "AXgT[ O
template < typename T > DAf@-~c
struct result_1 ^Tj{}<yT
{ 4zhh**]B
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 2 f%+1uU
} ; O>vCi&
Hp ;$fQ
template < typename T1, typename T2 > ucz~y!4L{
struct result_2 #+_=(J
{ `_1fa7,z
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; x%H,ta%
} ; |BhL.
} ; /CyFe<