一. 什么是Lambda E%R^
kqqr
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 <<43'N+
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, sh $mOy
Z9:erKT
)2@_V %
x%acWeV5
class filler *Q?ZJS~
{ CM}1:o<<N
public : y*Egt `W
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} #6XN_<
} ; B{\cV-X$0
54TW8y `h
k{*IR
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 2v
^bd^]u:
EhEUkZE3)
?\GILB,
hJqLH?Ri
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); hXsd12
/~w!7n<7
`0l)\
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 0?)U?=>]p
xc%\%8C}
I3;{II
EXlmIY4
二. 战前分析 X!} t``
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 w"s;R8
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 zTDB]z!A
(!-gX"<b
-E6#G[JJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); (1~d/u?2\
/* --------------------------------------------- */ 7
Jxhn!
vector < int *> vp( 10 ); 8MHYk>O~{G
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); H4s^&--
/* --------------------------------------------- */ =0te.io)3O
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); K[tQ>C@s2
/* --------------------------------------------- */ W|IMnK-
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); %LeQpbyOR
/* --------------------------------------------- */ ' `0kW_'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Vej [wY-c
/* --------------------------------------------- */ pwg$% lv
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); X?,ly3,
AT){OQF8&
2V6=F[T
c/l%:!A
看了之后,我们可以思考一些问题: LRF_w)^['
1._1, _2是什么? X<\E
'v`~
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。 !PQ%h/ix
2._1 = 1是在做什么? %2 A-u
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。 M2K{{pGJ[&
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。 E5a1
7ra
`6`p ~
v-zi ,]W
三. 动工 -f&16pc1t
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: P`/;3u/P
yc4?'k!
-__RFxG
9`83cL
template < typename T > >FO4]
class assignment 3\x@G)1
{ `Gct_6
T value; Lk?%B)z
public : Y ^s_v_s
assignment( const T & v) : value(v) {} |eN#9Bm
template < typename T2 > A1b</2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } qJjXN+/D
} ; UDjmXQ2,
~7!=<MW
\!!qzrq
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 QucDIZ
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment iD*%' #u
"gm[q."n<
)gOVnA/M
lSMv9:N
class holder bve_*7CEM
{ 4*k>M+o/C4
public : +iS'$2)@
template < typename T > AYhWeI+
assignment < T > operator = ( const T & t) const #w%d
{ nkI+"$Rz0
return assignment < T > (t); _n6ge*,E
} !n;0%"(FH
} ;
HaJs)j
9Fo00"q
L1'PQV
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: ;^XF;zpg
12 8aJ
static holder _1; H1?t2\V4
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 |l4tR
xJG&vOf;?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); -^1}J
而不用手动写一个函数对象。 8Zj=:;
Hrjry$t/J
`SFA`B)[5@
AcZ{B<
四. 问题分析 }BF!!*
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 bQU{)W
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 |PGF g0li
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 g=Gd|
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 l ga%U~
下面我们可以对这几个问题进行分析。 0 ge"ISK
[&_7w\m
五. 问题1:一致性 YmrrZ&]q
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| v|!u]!JM
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;rgg O0Y
jeKqS
struct holder |j 9d.M
{ Dno]N
// \a#{Y/j3
template < typename T > 6?;U[eV
T & operator ()( const T & r) const %G'{G
{ csh@C
ckC8
return (T & )r; lN(|EI
} OD@k9I[
} ; U46qpb7
6o5NeKZ
这样的话assignment也必须相应改动: 'E\/H17
HZINsIm!?
template < typename Left, typename Right > -_*ux!
class assignment 0W_olnZ
{ 2XX-
Left l; WGmXq.
Right r; (vR9vOpJ
public : r\PO?1
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} M]Kxg;
template < typename T2 > tPp9=e2[s
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } I cJy$+
} ; G '1K6
3_DwqZ 'O
同时,holder的operator=也需要改动: -dto46X
;JuBybJb
template < typename T > RJ\'"XQ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const <E2nM,
{ )r0XQa]@$
return assignment < holder, T > ( * this , t); VQ R
E]
}
ff;9P5X
v pg*J/1[
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。 <)qJI'u|
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ?&`PN<~2z
MyZ5~jnr\
return l(rhs) = r; &GfDo4$
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。 \CU-a`n
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类:
rSg OQ
>g>L>{
template < typename Tp > T1-.+&<
class constant_t \ u*R6z
{ }5Zmc6S{
const Tp t; kTW[)
public : 1
$m[#3
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} + L\Dh.Ir
template < typename T > We`6# \Z X
const Tp & operator ()( const T & r) const kC_Kb&Q0
{ QmKEl|/{u
return t; im-XP@<
} kEYkd@{
} ; n8+_Uww
/;X+<Wj
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 gLss2i.r
下面就可以修改holder的operator=了 c{"qrwLA
5y~Srb?2
template < typename T > @oNYMQ@)d
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Fa0NHX2:
{ 17E,Qnf
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); a5k![sw\
} p
2>\
W9rmAQjn
同时也要修改assignment的operator() &*Z"r*
Z?f-_NHg
template < typename T2 > 9
df GV!Z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Q,LDn%+;B*
现在代码看起来就很一致了。 g=na3^PL6
(|2:^T+
六. 问题2:链式操作 oWLv-{08
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ^Q#g-"b
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ~LF/wx>
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 0{'m":D9
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ?:Sqh1-z
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct [BTOs4f
8x`EUJ
template < typename T > Ods~tM
struct result_1 c }7gHud
{ YXLZ2-%ohZ
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Vv&GyqoO]
} ;
Pb}Iiq=
0K(&EpVE
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: MP|$+yuR~
s?Z{LWZ@
template < typename T > XS(Q)\"
struct ref .)c+gyaQ
{ M^&^g
typedef T & reference; 2{xf{)hO?
} ; ?~3Pydrb#
template < typename T > ^2`*1el
struct ref < T &> v;nnr0;
{ U?xa^QVhj
typedef T & reference; =/+f3
} ; n[gc`#7|{e
Ez+8B|0P
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: yIu_DFq%
{Rz(0oD\
template < typename T > S=a>rnF
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const XD%GNZ
{ Q%QIr
return l(t) = r(t); c=f;3N
} v=~+o[
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。 2Ah B)8bG
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ew&"n2r
cS%;JV>C
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 a] P0PH~
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: \gGTkH
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 T2}X~A
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^4C
djMF-E
最后的布局是: f2?01PM,Q
Add he|.Ow
/ \ }2''}-Nc
Divide 5 0V+v)\4FE
/ \ tfdb9#&?
_1 3 r-AD*h@QZ
似乎一切都解决了?不。 5i-VnG
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。 *&~(>gNF,
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。 CsJ&,(s(
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: t+#vcg,G
Tq,dlDDOR
template < typename Right > TR9dpt+T
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Eih6?Lpu
Right & rt) const ;0o%
hx
{ L5wR4Ue)
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d^Rea8
} +ZR>ul-c
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ;)Sf|
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。 ;+*/YTkC+P
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。 ;NF:98
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。 riQ0'-p
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。 `(xzCRX
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? @CS%=tE}U
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: qb$M.-\ne
\s6VOR/
template < class Action > &hJQHlyJM0
class picker : public Action oxug
{ _~ 3r*j
public : zFr#j~L"
picker( const Action & act) : Action(act) {} Y o\%53w/
// all the operator overloaded }J6 y NoXu
} ; $mxl&Qr>Q;
$ncP#6
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 _FCg5F2U
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ~En]sj
~ E n'X4
template < typename Right > U2
Cmf
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const QTU$mC]
{ 8{ )N%r
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;P^}2i[q>[
} -YS9u[
:464~tHI[`
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > P"|-)d
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。 ri49r*_1
6('CB|ga
template < typename T > struct picker_maker T2 TWb
{ jxZ_-1
typedef picker < constant_t < T > > result; }Vfc;2
} ; @xr}(.
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > @[#)zO
{ t')%;N
typedef picker < T > result; >VJ"e`
} ; \"9ysePI
CYdYa|
下面总的结构就有了: C?]+(P
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。 7>3+]njw
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。 %<1_\N7
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 WH<\f|xR
至此链式操作完美实现。 f%yNq6l
(8(P12l
<m*j1|^{t
七. 问题3 `We?j7O
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-0
ZQyX zERp
template < typename T1, typename T2 > zor
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const !.7m4mKzo
{ dvLL~VP
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 2^)_XVX1
} -kb;h F}.
cHJ4[x=
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: Y8/&1s_
u6
4{w,
template < typename T1, typename T2 > p+CK+m
struct result_2 P}vk5o'
{ Ki(0s
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; IO"q4(&;P4
} ; yY!@FGsA
T+>W(w
i
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? @Py?.H
这个差事就留给了holder自己。 juMHc$d17
a[J_H$6H!
5>-~!Mg1
template < int Order > " ,]A.,
class holder; j|VX6U
template <> j3fq}>=
class holder < 1 > B %
{
AIw~@*T
public : OKnpG*)u=g
template < typename T > 2
;Q|h$n
struct result_1 Hi&bNM>?O
{ 54Vb[;`Kkb
typedef T & result; !3\(
d{
} ; ySHio;g9
template < typename T1, typename T2 > q)N^
struct result_2 c
LfPSA
{ E0eZal],
typedef T1 & result; Dk}txw}#
} ; -Zqw[2Q4
template < typename T > c@$W]o"A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L"}2Y3
{ S^r[%l<'n
return (T & )r; .]/k#Hv
} W,.Exh
template < typename T1, typename T2 > c#a>> V
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const (]$&.gE.F
{ +u3vKzD
return (T1 & )r1; pz]KUQ
} <q=]n%nX
} ; v>5TTL~?
~zFwSF
template <> c1 1?Kq
class holder < 2 > \7Fp@ .S3
{ 5Z[HlN|-!
public : $SU<KNMZ
template < typename T > ]T%wRd5&-
struct result_1 /brHB @$
{ 'E cd\p
typedef T & result; y7LM}dH#m
} ; ~uuM0POo
template < typename T1, typename T2 > ZSn6JV'g
struct result_2 A6#v6 iT
{ DS7Pioa86
typedef T2 & result; J74kK#uF=
} ; R".*dC,0'B
template < typename T > [k=LX+w@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ,9W!cD+0
{ .19_EQ>+
return (T & )r; rrl{3
?
} D;Y2yc[v
template < typename T1, typename T2 > hmv*IF.
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const D\ P-|}
{ sM9N Hwg
return (T2 & )r2; sd
|c/ayh~
} Q'rX ]kk_
} ; XW*d\vDun
1(/rg
}LX.gm
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> >。 ki]i[cdk
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: A{gniYqvB`
首先 assignment::operator(int, int)被调用:
(!T\[6
fKa]F`p_h
return l(i, j) = r(i, j); VKy3tW/_&
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) XZxzw*Y1J
Yz>8 Nn '_
return ( int & )i; ZU5; w
return ( int & )j; 6g"qwWZp
最后执行i = j; <4*)J9V^s=
可见,参数被正确的选择了。 )Nl xW5
WU6F-{M"?
PBAQ
KQ
.WlZT-
(o!i9)
八. 中期总结 / 16 r_l
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: r,ep{
p
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 2&:nHZ)
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Rc~63![O.
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ,772$7x
%D[6;PT
w=ZK=@
5-"aK~@+
Bacmrf
n;r
W
九. 简化 HG)h,&nc-
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{NGrC`5)
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 78E<_UgcB
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: }nWW`:t kx
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 W<H<~wf#
+-*/&|^等 #a!qJeWm0
2. 返回引用。 {?]&