一. 什么是Lambda M&zB&Ia"'
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 _j$V[=kdM/
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, jMWTNZ
fm^tU0DY
svo%NQ
G|?V}pZ
class filler aG"
{ o}36bi{
public : (q7;/n
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} mFpj@=^_G
} ; Yo5ged]i
8f?o?c|
~Gg19x.#uW
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: zxv y&
k?pNmKVJM
"}uu-5]3
T?n [1%K
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); P'5Lu
C>l (4*S
]w)uo4<^J
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 M(^IRI-
qsN}KgTjg
-uAGG?ZER
|%Y =]@f
二. 战前分析 >hnhV6ss
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 }&ew}'*9)
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 qqYQ/4Ajw
dZ,7q_r,~
tr
8Q{
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bnp:J|(ld
/* --------------------------------------------- */ C`oB [
vector < int *> vp( 10 ); }D~m%%,
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); &@&^k$du8q
/* --------------------------------------------- */ ='/#G0W
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); }q/[\3
/* --------------------------------------------- */ &6Wim<*
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); jN+2+P%OL
/* --------------------------------------------- */ 2zjY|g/
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); \<=.J`o{
/* --------------------------------------------- */ HRd02tah
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); :OaGdL
v<} $d.&*
&M\qVL%w
Wu?[1L:x
看了之后,我们可以思考一些问题: h=cA]^:=
1._1, _2是什么? a'G[!"
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 [/cJc%{N
2._1 = 1是在做什么? d/?0xL W
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 K!88 Nox(
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 WdrMp
B8-Y)u1G
MIv,$
三. 动工
2IDn4<`
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 6`'K M/
kdm@1x
7sJGB^vM
n{F&GE="
template < typename T > 4,6?sTuX
class assignment xO
1uHaL
{ Ac,bf 8C
T value; PPtJ/
}\
public : XOY\NMo
assignment( const T & v) : value(v) {} m`3gNox
template < typename T2 > VS<w:{*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } QRY7ck:N
} ; `MMZR=LA
<daBP[
sr.!EQ ]
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Eid~4a
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment B{_-k
A%#."2vq~
h3-dJgb
s[/)v:
class holder w>#.id[k
{ zU>bT20x/
public : 8x6{[Tx
template < typename T > Z@>WUw@F
assignment < T > operator = ( const T & t) const +3;[1dpgf
{ <dhBO
return assignment < T > (t); `X wKCI
} +?[iB"F
} ; 5NYYrA8,^
cA
B^]j
ZP7wS
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: 9O#?r82
Ru`7Xd.
static holder _1; oO,"B8a
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 w259':
1A9Gf
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $QuSmA<4lS
而不用手动写一个函数对象。 ;ZLfb n3\
Js8d{\0\
IQ}YF]I;
F|W(_llfM
四. 问题分析 /SYzo4(
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 A
v%'#1w<"
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 h|&qWv
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 so\8.(7n
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 xHdv?69,
下面我们可以对这几个问题进行分析。 N%+ C5e<
{nmBIk2v
五. 问题1:一致性 [U?a %$G>
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?| Ja6PX P]'
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 qeZ*!H6-
u'EzYJ7
struct holder ~bk+JK- >
{ W(UrG]J*l
// #_OrS/H
template < typename T > lw 9rf4RF
T & operator ()( const T & r) const <D M:YWNa
{ i/WiSwh:
return (T & )r; 8Ow0A
} XB-l[4?
} ; _:,U$W
H;eOrX{GT
这样的话assignment也必须相应改动: f0lK,U@P
ns[Q %_
template < typename Left, typename Right > W_N!f=HW
class assignment 4wQ>HrS)(
{ Gj([S17\0:
Left l; CpF&Vy K
Right r; S~LTLv:>
public : o5 eFLJ6
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Nl `8Kcv
template < typename T2 > E; Z1HF
R
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ['n;e:*
} ; T8rf+B/.L
g{06d~Y
同时,holder的operator=也需要改动: cH%#qE3
b:}+l;e52
template < typename T > WKPuIE:
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const c 7uryL
{ Syj7K*,%bZ
return assignment < holder, T > ( * this , t); ?rgk
} m2$Qp{C6H
WH^rM`9
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。 R+O[,UM^I~
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 L>EC^2\
j8ebVq
return l(rhs) = r; u?n{r
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。 [3QKBV1\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: w_!]_6%{b
Hh1OD?N)
template < typename Tp > [m3k_;[
class constant_t p#95Q
{ 6+[7UH~pm^
const Tp t; f}>S"fFI
public : hd}"%9p
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} OjiQBsgnj
template < typename T > \!4sd2Yi
const Tp & operator ()( const T & r) const %v(\;&@
{ (7g1eEK%
return t; _=eeZ4f
} G}b LWA
} ; J<{@D9r9<~
M _z-~G
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 `o~9a N
下面就可以修改holder的operator=了 mmj6YQ0a
ES#K'Lf
template < typename T > }TCOm_Y/qL
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const E|Lv_4lb=
{ %r*zd0*<n1
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ~^Y(f'{
} |H4/a;]~
$fE$j {
同时也要修改assignment的operator() E}$K&<J'-
qeyBZ8BG
template < typename T2 > 3Yd)Fm
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ? h$>7|
现在代码看起来就很一致了。 7QlA/iKqK
5!PU+9Kh
六. 问题2:链式操作 m{bw(+r
现在让我们来看看如何处理链式操作。 +FoR;v)z=F
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。 t3 q0|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。 ci^+T *
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。 !.'@3-w]
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct &r;4$7
WlnI`!)d
template < typename T > *zy0,{bl
struct result_1 dB`YvKr#
{ P==rY5+s`
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; gn?
~y`
} ; UEJX0=
}>w;(R
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 'lU9*e9
@,-xaZ[
template < typename T > !=.5$/
struct ref k.DDfuKN
{ uSs~P%@6|
typedef T & reference; GJA3
} ; ,OLN%2Sq
template < typename T > ^AUmIyf_
struct ref < T &> [Uezi1I
{ pt;kN&A^
typedef T & reference; Ve&(izIh
} ; @^vVou_
g|PVOY+|^
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: nJYcC"f
RkN a;j)t
template < typename T > ]OoqU-q
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const _AQ :<0/#
{ :CN,I!:
return l(t) = r(t); hIw<gb4J%
} qPpC )6-Q
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。 j0k"iv
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 >Z?3dM~ [
AO9F.A<T5
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 X.,1SYG[
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: L!-@dz
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 4b8!LzKS
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ,2)LH'Xx
最后的布局是: EM*YN=S o
Add Ftm%@S ?
/ \ YXJjqH3
Divide 5 'hL\xf{
/ \ P'Jw: )k(
_1 3 .3,s4\.kT
似乎一切都解决了?不。 JQ%`]=n(/
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。 iuq-M?1
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。 Od'!v &
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: ?0+D1w
er}/~@JJ
template < typename Right > 1dOVH7
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 4ow)vS(
Right & rt) const <Ja>
{ ,k/*f+t
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); p~28?lYv
} xX
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 =%|S$J
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。 5-}4jwk
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。 Bya!pzbpr
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。 VuFH
>8n
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。 e.i5j^5u
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?[ba_h
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: iwL\H a
a[)in ,3
template < class Action > 'u$$scGt
class picker : public Action l?B\TA^
{ lC.Yu$O5
public : @Q3aJ98)2
picker( const Action & act) : Action(act) {} g^1M]1.f
// all the operator overloaded j ij:}.d6
} ; jR\T\r4
k:<yy^g$X
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。 "-vm=d~\
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: ?T70C9
y1/$dn
template < typename Right > lx~!FLn
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Ud:v3"1
{ rU5gQq;
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); (M6B$:
} vI#\Qe
#OH-LWZh
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > D2~e@J(K
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。 Z*nC
;5Kd
_I~W!8&w>
template < typename T > struct picker_maker CO1D.5
{ 1A">tgA1
typedef picker < constant_t < T > > result; @Wy>4B^
} ; T?)?"b\qz
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > '>Y"s|
{ vj^vzFb K
typedef picker < T > result; ;&P%A<[`
} ; Uw5z]Jck
gec<5Ewg
下面总的结构就有了: zMKW@
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。 ju(&v*KA
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。 p}!rPd*
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Dq
Kk9s;6_
至此链式操作完美实现。 f5Zx:g
z![RC59S
BM1uZJ0
七. 问题3 "Sc_E}q|e
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。 Ta%{Wa\U9z
uE-~7Q(@
template < typename T1, typename T2 > J-ACV(z=q
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Tl %#N"
{ 'i{kuTv
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); _UYt
} |SZRO,7x
+o!".Hp
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: WsQo+Ua
7Xm pq&g
template < typename T1, typename T2 > U/m6% )Yx(
struct result_2 ;c_X
^"d
{ 0CQ\e1S,#
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; !9k)hP
} ; ]&qujH^Dd*
2r"-X
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? r@H<@Vuc
这个差事就留给了holder自己。 ITRv^IlF
iQZgs@
m]+g[L?-
template < int Order > Xp{+){Iu
class holder; ,Zb]3
template <> *;(LKRV
class holder < 1 > sYiegX`1c
{ }?^5\ot u
public : R>To
L
template < typename T > jtV{Lf3<
struct result_1 j>+x|!k
{ +T+f``RcK
typedef T & result; =E8lpN'
} ; pN&5vu30
template < typename T1, typename T2 > Ix^xL+Tm
struct result_2 "?EA G
{ Mje6Q
typedef T1 & result; d3+pS\&IX?
} ; xpKD 'O=T
template < typename T > lq}= &)%C
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const <K%qaf
{ vX]\Jqy
return (T & )r; 5v=%pQbY
} &eG,CIT
template < typename T1, typename T2 > >
F&Wuf
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const AiykIER/
{ ny|ni\6
return (T1 & )r1; 5*{U!${a
} YW}q@AY7
} ; (!&cfabL
_y#t[|}w
template <> fKf5i@CvB@
class holder < 2 > Y5$5qQ
{ b !J21cg<L
public : j#"?Oe{_1
template < typename T > t(-noy)
struct result_1 GN /]^{D
{ PCH&eTKN
typedef T & result; ~&[Wqn@MZ
} ; n|Iy
template < typename T1, typename T2 > 3<1Uq3Pa
struct result_2 w-2p'u['Z
{ ns9iTU)
typedef T2 & result; v9(->X'
} ; Qa~o'
template < typename T > E'?yI'~=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const t?L;k+sMM
{ 9w^1/t&=04
return (T & )r; M2(+}gv;7p
} $(H%|Oyn
template < typename T1, typename T2 > }+h/2D
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^I@1y}xi
{ ZWQrG'$?o8
return (T2 & )r2; k]!Fh^O~,
} r9sW:cM:e
} ; hW$B;
V~tq
_
1hw1AJ}(F
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> >。 aB;syl{
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Q>] iRx>MZ
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ^&MMtWR
$J>GCY
return l(i, j) = r(i, j); acz8
H0cS
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) o;.PZi2k
d>*?C!xE
return ( int & )i; dFFJw[$8w
return ( int & )j; nR-`;lrF~
最后执行i = j; Mdsn"Y V
可见,参数被正确的选择了。 _nOJ.G
"G-}
wt+P
1-r#v
L!Iu\_{q
eEePK~%c
八. 中期总结 <RS@,
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: laG@SV
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Z|K+{{C
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 5:6as^i:b
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor v*SSc5gFG
AA"?2dF
8Eyi`~cAiH
"5"6mw?
@r]wZ~@
x*Y&s<
九. 简化 zV_U/]y
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。 T&c0j(
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 /L\]t
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: #;sUAR?]
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 (lq7 ct
+-*/&|^等 ^AkVmsv;;
2. 返回引用。 0)`{]&
=,各种复合赋值等 "K
n
JUXpl
3. 返回固定类型。 HgPRz C
各种逻辑/比较操作符(返回bool) kNP.0
4. 原样返回。
|7XSC,"
operator, h@}KBK
5. 返回解引用的类型。 {"$
Q'T
operator*(单目) dqMt6b\}
6. 返回地址。 yBqv'Y
operator&(单目) P,r9<
7. 下表访问返回类型。 _-eF
&D
operator[] SIv8EMGo
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 "jqC3$DKI
operator<<和operator>> >Ig%|4Hw
LW<