一. 什么是Lambda kS1?%E,)q
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 U])$#/ v
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, vHM,_I{
s~n@|m9k
^udl&>
\Jm^XXgS
class filler #CTeZ/g
{ ;:Q&Rf"@%
public : U C..)9
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} TS49{^d$
} ; HtAO9
o3,}X@p
\SyG#.$
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: .Hm1ispq
:O/QgGZN$
R}T\<6Y
X6G2$|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); }[b3$WZ
D0VbD" y
A40Q~X
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 [Nv)37|W
H*E4+3y
..;ep2jSs
b<8,'QgB
二. 战前分析 "pTU&He
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。 ),5|Ves;t[
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 _0h)O
&at>sQ'
]%ey rbU
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 91\]Dg
/* --------------------------------------------- */ Bhg,P.7
vector < int *> vp( 10 ); kX "*kD
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ?~=5x
/* --------------------------------------------- */ HC(7,3
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); u5rHQA0%
/* --------------------------------------------- */ YlJ_$Q[
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Ngw/H)<c
/* --------------------------------------------- */ ~U+W4%f8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); RhD
/* --------------------------------------------- */ z#Db~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); |"i"8~/@<
Yx':~
nNpXkI:
'tn-o
看了之后,我们可以思考一些问题: 3e ?J#;
1._1, _2是什么? g66x;2Q
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 EWK?vs
2._1 = 1是在做什么? Zr|z!S?aSC
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 &h'NC%"v
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 M~Ph/
5 nS}h76mZ
H{I,m-
三. 动工 DT[WO_=
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: o|Kd\<rY
bA02)?L
"] [u
pz ~REsx
template < typename T > 4;V;8a\A
class assignment NEW0dF&)
{ ZYs?65.
T value; <8YIQA
public : !P@4d G
assignment( const T & v) : value(v) {} [Y-3C47
template < typename T2 > Z}yd`7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } S t;@ZV
} ; SdNxSD$Q
8)XAdAr
, )PpE&
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ;uN&yj<}a
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment -7(,*1Tk
d:JP935
wj 15Og?
()(^B}VK
class holder 0 LQ%tn
{ .tA=5QY,
public : ",P?jgs^g5
template < typename T > H?wf%0
assignment < T > operator = ( const T & t) const EqF>=5*
{ h.4FY<
return assignment < T > (t); `i)Pf WdBN
} >6Ody<JPHP
} ; q_z ;kCHM
=h,J!0Y
?yKG\tPhM
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: `2hLs _
n*r Xj{Kt
static holder _1; VYnB&3%DF
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 x{9$4d
,jdTe?[*^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 52.%f+Oa
而不用手动写一个函数对象。 tu6<>
P1dFoQz
hr`,s!0Y
KskPFXxP
四. 问题分析 3*#$:waGd
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。 "1%\Fi l
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。 }% `f%/
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 OXS.CFZM
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 7[:?VXQ
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2)9XTY6$
BMItHn].
五. 问题1:一致性 <z8z\4Hz
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?| g"v6UZ\
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 _*-b0 }T
+zZ]Txb(
struct holder 5#mHWBGd7
{ (o4':/es
// t@!A1Vr@
template < typename T > WXd#`f %
T & operator ()( const T & r) const IAMtMO^L
{ H^<?h6T
return (T & )r;
Y}e3:\
} <4P.B?-/t
} ; C=(~[ Y
";TqYk=-
这样的话assignment也必须相应改动: wowWq\euY
? kCo/sW
template < typename Left, typename Right > ?I"FmJ;
class assignment ?KG4Z
{ ~(]'ah,
Left l; 5?*Iaw
Right r; 4@=[rZb9
public :
pER[^LH_)
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} `a5,5}7v%`
template < typename T2 > 8=u88?Bh
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } \ESNfL5
} ; 5MK.>3fE
)}@Z*.HZL
同时,holder的operator=也需要改动: .t.4y.
97
*1h@Jb34
template < typename T > 0u
bf]Z
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const SK5__Ix
{ y\R-=Am".
return assignment < holder, T > ( * this , t); :PNhX2F
} vHN/~k#
F]cc?r312
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。 VVqpzDoXG
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 (@Eb+8Zd
6kO+E5;X
return l(rhs) = r; wlpcuz@
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。 [a7S?%>Bh
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ]L?WC
|Elz{i-
template < typename Tp > 74a k|(!
class constant_t *
yGlX[
{ WnhH]WY
const Tp t; RmQ>.?
public : 2=$ F*B>9
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} )h1 `?q:5
template < typename T > (zw.?ADPCT
const Tp & operator ()( const T & r) const .}Hs'co
{ d>wG6Z, |
return t; :3D[~-/S
} [6)vD@
} ; V o%GO9b;
= Q"(9[Az
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 U["IXR#
下面就可以修改holder的operator=了 j.:f=`xf
64D4*GQ
template < typename T > {6iHUK
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const n1)]. `
{ 0>:`|IGnT2
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *_"lXcG.
} orhzeOi\
i}@5<&J
同时也要修改assignment的operator() =Ds&ArG
~zDFL15w
template < typename T2 > ;Bat--K7+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } [Vj|fy4
现在代码看起来就很一致了。 SDO~g ~NTp
LG'1^W{a
六. 问题2:链式操作 :|Bzbn=N2
现在让我们来看看如何处理链式操作。 t![972.&
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。 1pT/`x
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。 N@8tf@BT
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。 ^9XAWj"
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct <Ys7`e6eY
4Y d$RP
template < typename T > |UN#utw{^Y
struct result_1 A/.z. K
{ >Sm#-4B-
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Ca0t}`<S
} ; i8.OM*[f
RY*yj&?w[
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: xI8v'[3
q,]57s
template < typename T > 8},fu3Z
struct ref JB HnJm
{ r6L
typedef T & reference; D1EHT}
} ; t}gK)"g
template < typename T > '>>@I~<\
struct ref < T &> n;k
B_i*l
{ I bE Nq
typedef T & reference; jyC>~}?
} ; hcQv!!Q"k$
`7'=~BP?X
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: [H>/N7v19*
,62BZyT,T,
template < typename T > 2Oy-jM
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Rr>""
{ _? u} Jy_
return l(t) = r(t); v [>8<z8
} hYh~[Kr^@^
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。 6H:EBj54?
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 {=_xze)
Y4*?QBYA
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 *'R2Lo<C
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: >IHf5})R
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 0!`!I0
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 1 w9Aoc
最后的布局是: E5$uvxCI
Add }j,G)\g#
/ \ x2+M0 }g
Divide 5 -ha[xM05
/ \ ;^P0+d^5C
_1 3 %xt\|Lt
似乎一切都解决了?不。 #K/#-S
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。 Y'o.`':\~
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。 U6 H@l#
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: O9F#gO|!
Y+"Gx;F>
template < typename Right > JDB Ni+t
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const "`5BAv;u
Right & rt) const ]j<&
:_
{ m ,TYF
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ooT~R2u
} n:YA4t7S
下面对该代码的一些细节方面作一些解释
)F:UkS
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。 !_h<w ?)
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。 }Yp]A
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。 =JB1 ]b{|
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。 kk3G~o+
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? 9_pOV%Qs
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: ^os|yRzV*M
8 9f{8B]z
template < class Action > jVdB- y/r
class picker : public Action j~Ubpf
{ Mhg_z.Z
public : L@6T~
picker( const Action & act) : Action(act) {} _1P8rc"Dx
// all the operator overloaded z>W'Ra6
} ; 7(KVA1P66
"_e/O&-cH
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。 G-sA)WOF
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: >"+bL6#
44cy_
template < typename Right > TzK[:o
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const h`/1JjP
{ woR }=\K
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); T13Jn o
} .R{P%r
>zB0+l
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > I ?i,21:5
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。 CT#N9
X.!|#FWb+
template < typename T > struct picker_maker e5fzV.' 5
{ $9O%,U@
typedef picker < constant_t < T > > result; lDhuL;9e
} ; }K\m.+%=d
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > < 5#}EiT5
{ { Sn
J
typedef picker < T > result; HCKj8-*
} ; Oe}6jcb6&
2:& [r*
下面总的结构就有了: S`GM#( t@_
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 yTL<S '
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 NKb,>TO
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Qz/1^xy
至此链式操作完美实现。 ' fP`ET5
~eHu+pv
Se
%"C&
七. 问题3 ZtqN8$[6n
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。 ^{Y9!R*9U*
0|_d{/VK4
template < typename T1, typename T2 > >R}p*=J
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const E`>u*D$un~
{ 5A=FEg
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]QAMCu(>
} l@ W?qw
@.h|T)Zyr
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: )s4a<Sc]
z gDc=
template < typename T1, typename T2 > knJoVo]
struct result_2 Ro|%pT
{ Rck k
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; \@HsMV2+zN
} ; )S6"I
^J Y]w^u
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? 73OYHp_j
这个差事就留给了holder自己。 F[5\
x0
gT~Yn~~b
b^]@8I[M
template < int Order > /DBldL7yi
class holder; $q~:%pQv
template <>
Gt;59}
class holder < 1 > 1ti4 ZM
{ 3A.T_mGCs
public : 1W
+QcK4k
template < typename T > D/-$~u_o
struct result_1 L
H`z '7&/
{ Td6"o&0A!
typedef T & result; Fz4g:8qdA
} ; e[a?5,s2
template < typename T1, typename T2 > :F`yAB3
struct result_2 WMLsKoby
{ xK3}zN$T
typedef T1 & result; 2{E"#}/
} ; B> LL
*
template < typename T > Ho; bgva
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const fer~NlX
{ o7W1sD1O
return (T & )r; \6U$kMGde
} >AT T<U=
template < typename T1, typename T2 > V;#bcr=Z<J
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const sjj*7i*
{ e2PM^1{_
return (T1 & )r1; (G3S+T 9
} u9}k^W)E
} ; 12,,gwh
<>FpvdB
template <> ;,yjkD[mWE
class holder < 2 > _ X*
A
{ L'?0*t
public : =icynW^Fr
template < typename T > z3:tSjF
struct result_1 e):rr*
{ (\M&Q-xZ
typedef T & result; CgO&z<A!&
} ; M'4$z^@Z
template < typename T1, typename T2 > qJZ5w}
struct result_2 7pY7iR_
{ fmhqm"
typedef T2 & result; x)<Hr,wd
} ; R~R ?0aq
template < typename T > KLn.vA.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;{k`nv_6
{ G*;6cV19
return (T & )r; eJ23$VM+9
} Cg!]x
o
template < typename T1, typename T2 > (yx9ox@rL
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const |NZVm}T
{ \Y{^Q7!>:8
return (T2 & )r2; f2"1^M
} tM$w0Cj
} ; (7qdrAeP
#K3`$^0 s
>$yqx1=jW
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> >。 DVWqrK}q
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: *l[;g
首先 assignment::operator(int, int)被调用: _V`Gmy[]p
RvPC7,vh
return l(i, j) = r(i, j); }H4Z726
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) fv",4L
4/Yk;X[jk
return ( int & )i; O*ql!9}E{
return ( int & )j; x(Us
O}
最后执行i = j; C;6Nu W
可见,参数被正确的选择了。 fQ,L~:Y =
rIt#ps
8JU9Qb]L'I
?<iinx
0;kp`hB
八. 中期总结 $#/-+>
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: h8Bs=T
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 !A\Qwg>
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 \MA4>
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor $bd&$@sA
azxGUS_i<
#Wz7ju;
w)hH8jx{
&ZRriqsQg
EC4RA'Bg1k
九. 简化 .qcIl)3
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。 POtj6 ?a
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Q3$AL@".
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: ;ss,x
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 uq>\pO&P
+-*/&|^等 &pCNOHi|
2. 返回引用。 [a<ucJ
=,各种复合赋值等 &C.{7ZNt
3. 返回固定类型。 8~=<!(M)m/
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 'TF5CNX
4. 原样返回。 7( &\)qf=n
operator, Vk/!_)
5. 返回解引用的类型。 ^rmcyy8;g
operator*(单目) 'V=i;2mB*
6. 返回地址。 :q.g#:1s
operator&(单目) tR,&|?0
7. 下表访问返回类型。 ;w/|5 ;{A;
operator[] NT^m.o~4
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 LB1AjNJ
operator<<和operator>> YQ&Ww|xe
5p. vo"7
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。 6i6m*=h
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 9Dq^x&z(
u]W$'MyY
template < typename Left > vCf{k
struct value_return [=})^t?8
{ atW=xn
template < typename T > UkE fuH
struct result_1 TJHab;7F
{ sUc_)
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; UC!?.
} ; <]~FX25
<}@*i
template < typename T1, typename T2 > XA &