一. 什么是Lambda H{V)g
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 h1+hds+
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, 7byCc_,
8~ #M{}
uLN[*D
LK}-lZ`
i
class filler ['[KR
BJL
{ ? _<[T
public : W#XG;
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 5]"SGP
} ; u@=?#a$$
7zDiHac
= .oHnMX2M
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: *Msr15
Dag`>|my
WM,i:P)b
4/*H.Fl
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); YQgNv` l}
],lV}Mlg*
/smiopFcq
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 G>
\Tbx
ksWSMxm
[vTMS2
Ct]A%=cZW
二. 战前分析 ?a.+j8pbGg
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。 ZA\/{Fw
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 7*s8ttX
R Fko>d
~rv})4h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $/_qE
/* --------------------------------------------- */ 0^~\COa
vector < int *> vp( 10 ); .Q>!B?)
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); VC-;S7k
/* --------------------------------------------- */ ^#e~g/
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Veji^-0E
/* --------------------------------------------- */ :reTJQwr
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Zb''mf\
/* --------------------------------------------- */ ]gEhE
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); K:5eek
/* --------------------------------------------- */ 'C?NJ~MN
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); TJy4<rb
}$gmK
M>l^%`
R,Oe$J<
看了之后,我们可以思考一些问题: |(% u}V?
1._1, _2是什么? Zzj0\?Ul
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 }
/:\U
p
2._1 = 1是在做什么? wW`}VKu
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 A6UO0lyu
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 uDayBaR
oRq!=eUu_
!/I0i8T
三. 动工 RT*5d;l0
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: v{;7LXy0
RL}KAGK
YQ(Po!NI\'
Z=+03
template < typename T > NZXjE$<Vr
class assignment cHD%{xlb
{ "uD=KlA
T value; ?o[L7JI
public : lDc;__}Ws
assignment( const T & v) : value(v) {} =_pwA:z"A
template < typename T2 > r;qzo.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } p!W[X%`)
} ; / 8gL.i$
8SmjZpQ?
>HTbegi
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 IcF@F>>
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment X
K>&$<5{
RiFw?Q+
TbhH&kG)1
k#)Ad*t
class holder t})$lM
{ 'Bq ZOZw
public : p1O6+hRio
template < typename T > q<{NO/Mm
assignment < T > operator = ( const T & t) const O`W%Tr
{ /"#4T^7&
return assignment < T > (t); BzbDZV
} ,Og4
?fS
} ; M##';x0
m],Ud\
Un@\kAY
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: B~gV'(9g
VOgi7\
static holder _1; eaZQ2
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 "Pc$\zJm;
L-h$Z0]_F
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); #V_GOy1-
而不用手动写一个函数对象。 mJ
/iM$Tb5
79Bg]~}Z
?y7w} W
四. 问题分析 Of7+/UV
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 e<\<,)9@/
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 RA1yr+)
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 tIZ~^*'
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 eti`O
下面我们可以对这几个问题进行分析。 'jaoO9KY
K
1~5trsB+5
五. 问题1:一致性 G$JFuz)|
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?| oRY!\ADR
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 IF_D Z
\7 a4uc
struct holder k DsIp=
{ Tj`5L6N;8
// zQ8!rCkg4
template < typename T > S`q%ypy
T & operator ()( const T & r) const M'5'O;kn
{ Nw<P
bklz
return (T & )r; SN">gmY+
} 9%DT0.D}$j
} ; 9y] J/1#
=,/D/v$m'2
这样的话assignment也必须相应改动: #$ 1$T
d>i13dAI
template < typename Left, typename Right > Z`_.x
&Y
class assignment 1Ix3i9
{ W)=%mdxW0
Left l; k3hkk:W
Right r; Ill[]O
public : >J>V%
7
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }KB[B
template < typename T2 > Zk`#VH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } X"*^l_9-v
} ; 8<&EvOk
2C
"=!'
同时,holder的operator=也需要改动: b-<HXn_Fd
W{Q)-y
template < typename T > pj{\T?(
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const =_d%=m
{ ]H[8Z|i""
return assignment < holder, T > ( * this , t); /9 hR
} Fr:5$,At7-
l(kr'x
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。 a39h P*
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 \ V%_hl
.ER 98
return l(rhs) = r; N}Vn;29
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。 ?y%t}C\W
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: fE;Q:# Z.
=!0I_L/
template < typename Tp > 1/iE`Si
class constant_t W|R-J
{ ImkrV{,e
const Tp t; `deYi 2z
public : R]L2(' B
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} []p"3i
template < typename T > n["
9|
const Tp & operator ()( const T & r) const G$=-,6kZO
{ y-+G
wa3
return t; @$U e$
} vDE |sT
} ; P Jo
N}QFGX
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 [)|+F
wJ
下面就可以修改holder的operator=了 KH<v@IJ\
2C/%gcN >
template < typename T > >BoSw&T$Q
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 77aX-e*=E
{ +{-]P\oc
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); F)ci9- b@
} VifmZ;S@Y
MOHHZApt
同时也要修改assignment的operator() J r*"V`
n0fR u`SNV
template < typename T2 > JAP(|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); }
WL-0(
现在代码看起来就很一致了。 GU6qIz|
;Bs^iL
六. 问题2:链式操作 "tR}j,=S:D
现在让我们来看看如何处理链式操作。 X;EJ&g/
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 |]ucHV
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Yj8&
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 dY'Y5Th~
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct JvJ;bFXD
Q[_Ni15
template < typename T > yT:!%\F9
struct result_1 RVF F6N^
{ wn84?$BGd
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; z,+m[x=/N
} ; +by|
g
i4
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: ;=p;v .l
WZ*&@|w
template < typename T > Sx&mv.?X
struct ref :ICr\FY$
{ }x0Z(
`
typedef T & reference; sU%"azc
} ; eH[y[~r
template < typename T > l<N?' &
struct ref < T &> -$R5
{ m+T2vi
typedef T & reference; RKk"
} ; L>:FGNf^H
"m>};.lj
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: _IKQ36=
OR~G Ov|
template < typename T > V=9Bto00
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 4#@0T"T~M
{ ?>TbTfmR
return l(t) = r(t); Gx|Dql
} i*A$SJ:}
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。 ^Kum%<[i
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 UP*yeT,P,
u[J7Y
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 Y-7.Vjt^
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: x`3.Wu\
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 R\
e#$"a5
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 p1?J
最后的布局是: +1f{_v
Add f>4+,@G
/ \ ds')PIj
Divide 5 b)y<.pS\
/ \ {4)5]62>u
_1 3 :z124Zf
似乎一切都解决了?不。 WiwwCKjSa
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 i*b4uHna
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 NIL^UN}
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 10TSc
j
bY&YSlO
template < typename Right > `7$Oh{67
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const v6(,Ax&
Right & rt) const ^EUQ449<p
{ ^CX,nj_(
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); EKJH_!%
} IjgBa-o/V
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 MIJ%_=sm4:
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。 '[xut1{
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。 A7e_w
7?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。 Qvs(Rt3?y
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。 3XBp6`
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? ur`}v|ZY
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: "SDsISWd
AF
QnCl Of
template < class Action > Q!M sy<v
class picker : public Action >sB=\
{ LsUFz_
public : 739l%u }<
picker( const Action & act) : Action(act) {} 8Q)y%7{6
// all the operator overloaded #d$d&W~gE
} ; 9EjjkJ%)q
c|3h|
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 Dt
(:u,%
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: jCam,$oE
5Bzuj`
template < typename Right > $)Jc-V
6E
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const kKNk2!z`M
{ 7Im}~3NJG
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ` 3vN R"
} e(4bx5<*
hE9'F(87a
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > b^@`uDb6
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|(I} |kT3
vl>_e
template < typename T > struct picker_maker )3+xsn v
{ m]
EDuW
typedef picker < constant_t < T > > result; aJ% e'F[
} ; R,fMZHAG
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ?%_]rr9
{ deHY8x5uI
typedef picker < T > result; oR4fK
td
} ; iRkOH]+K
+D6-m
下面总的结构就有了: (4E.Li<O
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。 zS,%msT^A
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。 Y!Usce
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 (0O`A~M3
至此链式操作完美实现。 \E>%W
Fwg#d[:u
mw2rSU I{
七. 问题3 ZY~zpC_
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!M
nTK
qT&S
template < typename T1, typename T2 > kJVM3F%
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const eimA *0Cq
{ pqRO[XEp2
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); "`y W]v
}
m,xy4
,dGFX]P
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: pQ 4
%]Api
uKaf{=*
template < typename T1, typename T2 > S"I#>^
struct result_2 oaH+c9v
{ !W(/Y9g#
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ?Xy w<fMQ
} ; [)T$91
6I
7 UB8N vo
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? )dUd `g
这个差事就留给了holder自己。 ZlwcwoPib
W]C_oh
LRfFn^FPM
template < int Order > /It.>1~2@
class holder; N6-2*ES
template <> WVBE>TB
class holder < 1 > 64IeCAMVo
{ {H~8'K-
public : FRs|!\S=
template < typename T > 61t-
struct result_1 b[QCM/
{ u0(hVK`":
typedef T & result; ba8-XA_~U
} ; =1uj1.h
template < typename T1, typename T2 > qHcY
2LV
struct result_2 q?gQ
{ ;mM\,
{Z
typedef T1 & result; 6+{ nw}e8
} ; ={wjeRp
template < typename T > k;AV;KWI'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const U)T/.L{0i
{ ^*4(JR
return (T & )r; 7J)a "d^e
} Nys'4kx7
template < typename T1, typename T2 > J$e Z Lj
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^$Me#ls!
{ oPC IlH
return (T1 & )r1; P+_\}u;
} L?/M2zc9Y
} ; &Pn%zfmMN
?U2g8D nFY
template <> {H"=PYR
class holder < 2 > ivDG3>"JG
{ 4G68WBT
public : 2#Q"@
template < typename T > l[!C-Tq
struct result_1 NjCLL`?f
{ FSXKH {Z
typedef T & result; `Q!FMv6Y^
} ; o@Cn_p^X
template < typename T1, typename T2 > ?><
struct result_2 lD+y,";
{ @)!1#^(}%
typedef T2 & result; #L)4|
} ; {f6A[ZO; J
template < typename T > ^LQ lfd
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const gIf+.^/m1
{ 'f$?/5@@
return (T & )r; [W7\c;Do
} P^d.,
template < typename T1, typename T2 > hPCSLJ
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const C[/Uy
{ @'G ( k;
return (T2 & )r2; hdNZ":1s
} 2L{:H
} ; Wb-'E%K
1:~m)"?I_^
]nr
BmKB
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> >。 MRY)m@*+6
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: V
IRv
首先 assignment::operator(int, int)被调用: WFc[F`b
vpr@
return l(i, j) = r(i, j); "%@=?X8
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) pU)3*9?cIl
o dQ&0d
return ( int & )i; jwE(]u
return ( int & )j; l`w|o
最后执行i = j; ]NhWhJ:
可见,参数被正确的选择了。 n;T
V%KW[v<G<
UBk
5O&
U3R`mHr0
:|6D@
八. 中期总结 .$E~.6J %i
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: dUVTQ18F
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 4!b'%)
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 VBj;2~Xj4h
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor K&~#@I;
}n&JZ`8<s
1*`JcUn,>
#z54/T
4O,a`:d1$6
u$`x]K=Zsm
九. 简化 Mm[1Z;H
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,r}1N
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 w"Y55EURB
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: zyQEz#O
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 .6-o?=5
+-*/&|^等 z&/
o
2. 返回引用。 -<^Q2]PE;
=,各种复合赋值等 ve/6-J!5Y.
3. 返回固定类型。 aRb:.\ \zc
各种逻辑/比较操作符(返回bool) vWfef~}~
4. 原样返回。 =+#RyV
operator, +OuG!3+w
5. 返回解引用的类型。 \YF!< 2|[
operator*(单目) 5T@'2)BI=
6. 返回地址。 f#-T%jqnK
operator&(单目) we).8%)'
7. 下表访问返回类型。 (HD>vNha1
operator[] 'C4Ll2
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 N`GwL
aF
operator<<和operator>> &=t(NI$
s*U&