一. 什么是Lambda y?ypRCgO.u
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ]Pf!wv
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, ` 3h,Cy^
Z@6xu;O
E<r<ObeRv`
UthM?g^
class filler
p}(pIoyUF
{ ZfnJ&H'
public : {q.|UCg[L
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} J{e`P;ND
} ; ]@
N::!m
-v{LT=,O
=.2)wA"e'
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: "V{v*Aei0
cn2SMa[@S
(R-(
m t}3/d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); <Xb$YB-c
|^C35 6M>
%z"n}|%!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 -I.BQ
21 N!?DR
\JBPZ~N3
~%QI#s?|
二. 战前分析 OTD<3Q
q
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。 #y*p7~|@
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 5m9;'SF
_E8doV
g-DFcwO,V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); WuMr";2*E
/* --------------------------------------------- */ sjG@4Or
vector < int *> vp( 10 ); R/Te;z
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); k]~|!`
/* --------------------------------------------- */ ?9ScKN
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); oL
-udH
/* --------------------------------------------- */ 7O<K?;I
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); OEhDRU%k
/* --------------------------------------------- */ xew s~74L
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); i9v|*ZM"
/* --------------------------------------------- */ _l=X?/
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); U[M~O*9
A O3MlK9t
36\_Y?zx%
QS%t:,0lp
看了之后,我们可以思考一些问题: z@U5
1._1, _2是什么? j6#Vwc r
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。 To =JE}jzo
2._1 = 1是在做什么? #D
.hZ=!
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。 Oj#/R?%,X
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。 e|eWV{Dsz
$Qcr8~+a
M s Q=1
三. 动工 {9XQ~t"m^
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: f J+
q" @%W K
SY$%)(c8kL
,"?xy-6
template < typename T > )M_|r2dDq3
class assignment Huf;A1.
{ :ioD*k
T value; AYv7-!Yk
public : Ypwn@?xeP
assignment( const T & v) : value(v) {} 5E0dX3-
template < typename T2 > x\5v^$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } %s ">:
} ; @o>3
Bv.
#PQhgli
ky I~
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 z9JZV`dNgz
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment _[,7DA.qc
X1o=rT
1ZO/R%[
>j)y7DSE
class holder `gz/?q
{ ZG8Xr"
public : 4%5 +
template < typename T > k;Ask#rs
assignment < T > operator = ( const T & t) const M?QX'fia
{ O6n]l
return assignment < T > (t); Xd5uF/w
} M`H@
% M
} ; hE;BT>_dn
G-5ezVli
3 uJ?;
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: 6"/4@?
]}L tf,9
static holder _1; Ao$|`Lgj=z
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 S@cKo&^
(lt{$0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?wREX[Tqs
而不用手动写一个函数对象。 Wd?=RO`a
s^HI%mdf
s=hao4v7z
qqSFy>`P
四. 问题分析 Aaz2._:/-m
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 KN".0WU
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Bb.U4#
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 h@fF`
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 AtNF&=Op
下面我们可以对这几个问题进行分析。 <ToRPx&E
`&i\q=u+
五. 问题1:一致性 b{}ao
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| uA~?z:~=
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 B:#9
Zw_'u=r
>
struct holder LL+PAvMg
{ UeU`U
// f47dB_{5f.
template < typename T > Ch73=V
T & operator ()( const T & r) const g9gi7.'0
{ remRmY?
return (T & )r; ^wz 2e
} 2k!4oVUN
} ; *+_+ZDU
C sCH :>
这样的话assignment也必须相应改动: mb*|$ysPx
L u1pxL
template < typename Left, typename Right > F~?|d0
class assignment 5=/j
{ Fil6;R
Left l; 6mV^akapv
Right r; U&0 RQ:B
public : *vOk21z77d
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} T l8`3`e
template < typename T2 > ei(S&u<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } i JS7g
} ; RKy!=#;17
y#i` i
同时,holder的operator=也需要改动:
75;g|+
Nf%/)Tk
template < typename T > Xo3@-D_c!c
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const {_UOS8j7
{ e*M-y C
return assignment < holder, T > ( * this , t); A+hA'0isF@
} aUq2$lw1
1u~a*lO}
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 5em*9Ko
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 j7~Rw"(XQc
}z5u^_-m
return l(rhs) = r; ~W-5-Nl{s
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 8=OpX,t(
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: rUZ09>nDy
+h8`8k'}-2
template < typename Tp > UmG|_7
class constant_t BbhC0q"J
{ %H4>k#b@$
const Tp t; Rp0^Gwa
public : Hz j%G>
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} cVli^*se
template < typename T > GOD{?#c$
const Tp & operator ()( const T & r) const v {)8QF]
{ {xf00/
return t; Q^):tO]!Ma
} *gOUpbtXa
} ; WWT1_&0
(Ta (Y=!uq
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Wpc8T="q
下面就可以修改holder的operator=了 %:Z_~7ZR
X'j9l4Ph7
template < typename T > i5SDy(?r
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ijgm-1ECk3
{ }^2'@y!(
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); d;i@9+
} & l0LW,Bx
M2I*_pI
同时也要修改assignment的operator() 3Scc"9]
TQth"Cv2:
template < typename T2 > cp6I]#X
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } \-8aTF
现在代码看起来就很一致了。 n?"("Fiw
*t_Q5&3L+U
六. 问题2:链式操作 pA6A*~QE
现在让我们来看看如何处理链式操作。 tac\Ki?
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。 6G{ Q@
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。 $e:bDZ(hjj
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。 #I\" 'n5M
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct FM7`q7d
/!fJ`pu!
template < typename T > Ey%KbvNv
struct result_1 ]KQQdr
{ Zgo%Jo
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; u:H:N]
} ; e xkPu-[W
CZf38$6 X
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 6FY.kN\
lIPz"
template < typename T > EI496bsRHm
struct ref LCW}1H:Q
{ ;,s9jw
typedef T & reference; HlEHk'
} ; dSe d6
template < typename T > l#Vg=zrT
struct ref < T &> z0Z1J8Qq6.
{ TX;)}\
typedef T & reference; i8S=uJ]n
} ; ,&L}^ Up
y9.?5#aL
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ja6V*CWb
;SX~u*`R
template < typename T > fk!9` p'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const sG\K$GP!
{ sKk+^.K}|
return l(t) = r(t); *K BaKS
} =}YX 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。 !j}L-1*{ l
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 j4u
["O3
|
^G38
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 e;2A{VsD8
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: eD7qc1*G
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 mtdy@=?1Y
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 r AE5.Q!u
最后的布局是: |a%Wd
Add VfozqUf
/ \ '8[;
m_S
Divide 5 ("{"8
/ \ wB&5q!{!
_1 3 X4{<{D`0t8
似乎一切都解决了?不。 S&QXf<v
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。 BWNI|pq)v
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。 SM8_C!h:
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: JKy~'>Q
pw`'q(ad
template < typename Right > 2[qoqd(
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Ks<+@.DLTu
Right & rt) const k SgE_W)
{ LR';cR;
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); #jd.i
} |(AFU3~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 O<E8,MCA[a
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。 VJ?>o
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。 +bT[lJ2O>G
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。 X?XB!D7[
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。 Cc;8+Z=a?G
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? X yiaRW
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: $HtGB]
9Q!Z9n"8~)
template < class Action > Ay PtbrO
class picker : public Action @DF7j|]tV
{ ZCViZWo
public : kW1w;}n$
picker( const Action & act) : Action(act) {} {&UA60~6
// all the operator overloaded 57=d;Yg e
} ; `- (<Q;iO
WIuYSt)h
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[bu9i
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: :Zx|=
`oH4"9&]k3
template < typename Right > SN]g4}K-
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const r)OiiD"
{ -/V(Z+dj
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); E
AZX
} e<*qaUI
F-oe49p5e
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ?5/7
@V
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。 iJZNSRQJ}r
Cs
y,3XG
template < typename T > struct picker_maker IN.g
{ Q J-|zS.W
typedef picker < constant_t < T > > result; ?c+$9
} ; *8po0s
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > f*xr0l
{ :0QDV~bs
typedef picker < T > result; ^;rjs|`K#
} ; CWocb=E
0{vH .b
@
下面总的结构就有了: YB<nz<;JR
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 EwkSUA>Tm
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ^+v1[U@
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ^m&I^ \
至此链式操作完美实现。 :8hI3]9
Rb. vyQ
}z$_!)/i
七. 问题3 dR;N3KwY
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。 4dcm)Xr
E}v8Q~A(
template < typename T1, typename T2 > }Z FoCMM
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const X^K^az&L
{ /t`\b
[
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 'Grii,
} ge:a{L
elQjPvb
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: Z\xnPhV
*OznZIn
template < typename T1, typename T2 > `lWGwFg g(
struct result_2 I`H&b&
.`
{ 8V 4e\q
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; )$bF*
} ; BV:Ca34&
y<6c*e1
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? W/hzo*o'g
这个差事就留给了holder自己。 F8"J<VJ7
)E*f30
Q;w[o
template < int Order > }7(+#ISK6
class holder; PfRA\
template <> U|V,&RlbR
class holder < 1 > l`ZL^uT
{ .P aDR |!
public : Nr~!5XO
template < typename T > Wc2&3p9 c
struct result_1 BDvkY
{ ,]7ouH$H}
typedef T & result; HI 1T
} ; t(6]j#5
template < typename T1, typename T2 > }DS%?6}Sy
struct result_2 6j XDLI
{ *$BUow/>
typedef T1 & result; [n)ak)_/
} ; cx$h"
template < typename T > kSzap+ nB?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const GEF's#YWK
{ j?m(l,YD|*
return (T & )r; /MY's&D(
} vj%"x/TP
template < typename T1, typename T2 > {$hWz (
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const nPdkvs
{ <O0tg[ub
return (T1 & )r1; w01[oU$x=
} z+7V}aPM
} ; bE.<vF&
4@3 \Ihv
template <> c-(RjQ~M5
class holder < 2 > N,-C+r5}<4
{ &gY578tU
public : iYgVSVNg
template < typename T > 5>.ATfAsV
struct result_1 d{JI]
!
{ <<u]WsW{C
typedef T & result; (m:Q'4Ep
} ; ) hs&?:)
template < typename T1, typename T2 > \tYImh
struct result_2 JCnHEH
{ O}zHkcL
typedef T2 & result; o#\L4P(J
} ; 4 H0rS'5d
template < typename T > +_J@8k
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const F_'{:v1GW
{ UX63BA
return (T & )r; fc@<' -VA
} XjN=UhC
template < typename T1, typename T2 > klnNBo!
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const
94PI
{ dxAGO(
return (T2 & )r2; ,$:u^;V(
} .O1w-,=
} ; nMzt_Il I
Hq 5#.rZ#
\ YF@r7
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 4;J.$
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: >~Zj
首先 assignment::operator(int, int)被调用: X}(X\rp
[-VH%OM
return l(i, j) = r(i, j); ~Ze!F"
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) IF6$@Q
8|)!E`TKSV
return ( int & )i; g$Y]{VM.J
return ( int & )j; d.~ns4bt9
最后执行i = j; G{fPQ=
可见,参数被正确的选择了。 ]vz6DJs
8%m\J:eR
g 4=1['wW
gU+yqT7=
onSt%5{P%X
八. 中期总结 ?wG
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: i
/[{xRXiR
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 z3i`O
La
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Yv]vl6<
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor VVch%
BedL `[,
51|s2+GG
"rLm)$I
siCi+Y
F]6G<6T[
九. 简化 I2CI9,0
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 jy.L/s
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 "r@#3T$
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: 5}hQIO&^%
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 A+M4=
+-*/&|^等 /} PdO
2. 返回引用。 m}?jU
=,各种复合赋值等 #Y7iJPO
3. 返回固定类型。 ];Noe9o
各种逻辑/比较操作符(返回bool) faRQj:R8
4. 原样返回。 ?GNRab
operator, 9)vU/fJ|
5. 返回解引用的类型。 jc_k\
operator*(单目) /r'Fq
=z
6. 返回地址。 >$rH,Er
operator&(单目) }w35fG^
7. 下表访问返回类型。 P?>:YY53
operator[] yOlVS@7
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ]@z!r2[
operator<<和operator>> &77J,\C$:
w,j!%N
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。 N7"cMAs\G
例如针对第一条,我们实现一个policy类: }rmr0Bh
Dz~^AuD6
template < typename Left > k8stXW-w
struct value_return lH_pG ~
{ K\Q4u4DjbJ
template < typename T > %1k"K~eu
struct result_1 -FZNk}
{ 1VFCK&
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; #]c_2V
} ; F-:AT$Ok
=3'B$PY
template < typename T1, typename T2 > 1N $OXLu
struct result_2 { /!ryOA65
{ K{I "2c
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; a] c03$f K
} ; <ndY6n3
} ; uaP5(hUI
jNX6Ct?
W7|nc,i0\
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait _X?_|!;J
[^a7l$fmi
下面我们来剥离functor中的operator() #B?lU"f8q^
首先operator里面的代码全是下面的形式: k8n9zJ8
ECL{`m(#n
return l(t) op r(t) )UU`uzU;u
return l(t1, t2) op r(t1, t2) B=W#eu
<1
return op l(t) 8hww({S2
return op l(t1, t2) 30I-E._F
return l(t) op u8?$W%eW
return l(t1, t2) op g ;
-3
return l(t)[r(t)] 9
AD*
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] Da[#X`Kp$
m\&99-j:@b
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: KI\bV0$p<
单目: return f(l(t), r(t)); |a7Kn/[`,
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); L:&