一. 什么是Lambda A\#P*+k 0
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 {=-\|(Bx
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, Nn"+w|v[ev
u(t#Ze~Y1
*b}lF4O?
X>.
NFB
class filler
9*=W- v
{ -!L"')
public : X'% ;B
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Bk\Gj`"7
} ; z,:a8LB#[
ADk8{L{UU
H0R&2#YD
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: %T9 sz4V
DHT&,=
TdGnf
@b~fIW_3>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 9Q-*@6G
n`
TSu$
?zJOh^
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 0,Y5KE{
AT)a :i
{$^DMANDx
-yg?V2
二. 战前分析 VA%Un,5h
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 4bEf
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Z)xaJGbw
fH?ha
n?urE-_
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); -"[<ek
/* --------------------------------------------- */ A4?+T+#d
vector < int *> vp( 10 ); Ze3X$%kWi
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); WJ9cZL
/* --------------------------------------------- */ .rJiyED?!
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); {;
>Q.OX@
/* --------------------------------------------- */ &0 BdUU+:<
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); y&= ALx@
/* --------------------------------------------- */ (V% `k'N7f
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); dk<XzO~g
/* --------------------------------------------- */ NwR}yb6
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); )Cw `"n
;kJA'|GX
g@Qgxsyk>
b(I2m
看了之后,我们可以思考一些问题: PeE/iZ.
1._1, _2是什么? .*JA!B
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。 F5qFYL;
2._1 = 1是在做什么? {?}*1,I
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。 cFF*Z=L_
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。 "h7tnMS
)
(Tom9^
*cg(
?yg
三. 动工 3TZ*RPmFRm
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: kY&h~Q
k%op>
&
v^7LctcVm
EK$Kee}~
template < typename T > b2b75}_A
class assignment +EM_TTf4
{ Y05P'Q
T value; }/,CbKi,+
public : *VkgQ`c
assignment( const T & v) : value(v) {} ' 2-oh
template < typename T2 > 5I@w~z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 6k/U3&R
} ; DK&h
eVIoZ
PSmfiaThwo
56Z\-=KAU
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 a3>zoN
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 9r2IuS0
xyE1Gw`V
L~^*u_U]
9lo[&^<
class holder 'snYu!`z
{ iYbX
public : cubk]~VD
template < typename T > n!E2_
assignment < T > operator = ( const T & t) const T=YzJyQC)
{ **[Z^$)u(
return assignment < T > (t); X{-9FDW
} ^R$'eG 4L?
} ; fXQiNm[P
;*[9Q'lI*
1SV^ ){5I
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: NS,5/t
Z2bcCIq4
static holder _1; i$KpDXP\
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ]fI/(e_U
4E:bp
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ^SfS~GQ
而不用手动写一个函数对象。 +tN&a
S2VVv$r_6
?oiKVL"7
'~wpP=<yyF
四. 问题分析 :Ld!mRZF
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。 VZIR4J[\.
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。 www`=)A;
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 )OsLrq/
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 s/1 #DM"
下面我们可以对这几个问题进行分析。 YO:&;K%
jec:i-,
五. 问题1:一致性 `4CWE_k
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?| V8z`qEPM
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 7e&\{*
m$$?icA
struct holder /LQ:Sv7
{ $YG1z
// zG
c[Z3N
template < typename T > ?&l)W~S
T & operator ()( const T & r) const m^{
xd2
{ xkA2g[
return (T & )r; .]}N55M
} ]9S`[c$
} ; Z]:BYX'
u&TdWZe
这样的话assignment也必须相应改动: $X+u={]
u:`y]
template < typename Left, typename Right > g3?U#7i
class assignment ?4)v`*
{ hQgN9S5P
Left l; S9Yt 1qb
Right r; 3#<*k>1G?
public : 8kW /DcLE
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Ws49ImCB
template < typename T2 > Kv+Bfh
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } }&G]0hCT!
} ; S@:B6](D$
5 z]\$=TE
同时,holder的operator=也需要改动: T 0 FZ7
z*.v_Mx
template < typename T > e!o(g&wBj
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ,sb1"^Wc
{ FpkXOj?*
return assignment < holder, T > ( * this , t); T#iU+)-\%
} WaYO1*=
FWTx&Ip
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。 MtG_9-
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 |ft:|/^F&
2;N@aZX
return l(rhs) = r; d~[UXQC
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。 x9}++r
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 9p>
/?H|
KZK,w#9.
template < typename Tp > s[-]cHQ
class constant_t ]A!.9Ko}u
{ 3o7xN=N
const Tp t; \DyKtrnm%
public : ype"7p\
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} kv%)K'fU4
template < typename T > e3rfXhp
const Tp & operator ()( const T & r) const 2B'^`>+8S
{ #wD7 \X-f
return t; u~)%tL
} U$EM.ot
} ; ./)j5M
a^*B5G1(&
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 >%i9 oI<)
下面就可以修改holder的operator=了 D`fc7m
wL'C1Vr
template < typename T > ;.r2$/E
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ;;6\q!7`
{ Vd[2u
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); \
>(zunL
} bN4d:0 Y
}9FD/
同时也要修改assignment的operator() EUXV/QV{
Xi*SDy
template < typename T2 > =*[, *A
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 9OhR41B
现在代码看起来就很一致了。 n\
Gg6Y
=G[H,;W
六. 问题2:链式操作 PgqECd)f
现在让我们来看看如何处理链式操作。 4&H+hN{3
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。 4Z],+?.[
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。 ~"RQ!&U
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。 pV_}Or_
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct I@+lFG
vFR
1UPF
template < typename T > I_K[!4~Kn
struct result_1 \S'cWB
{ 4'_L W?DS
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; G@;Nz i89
} ; Y<de9Z@
]C+eJ0"A
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: mMga"I9
5~*=#v:`
template < typename T > A"`L~|&
struct ref EmYO5Whi
{ uFMs^^#
typedef T & reference; d|R
HG
} ; `9]P/J^
template < typename T > 5X0_+DdeL
struct ref < T &> NEZH<#
{ d5N)^\z
typedef T & reference; |>M-+@gj
} ; Y#GT*V
6R0D3kW
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: #tCIuQ,
N+ak[axN
template < typename T > wEZqkV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 5R$=^gE
{ Rc;1Sm9\
return l(t) = r(t); JkRGt Yq
} :zRB)hd
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 :d, >d
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 H0 {Mlu9
C!CaGf=
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 O@G<B8U,K
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: tsCz+MP
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 _SU,f>
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 yz54:q?
最后的布局是: O e0KAn
Add ?z*W8b]'
/ \ BBaHMsr
Divide 5 >b[4
/ \ "j*fVn
_1 3 i4 y(H
似乎一切都解决了?不。 bcGn8
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 j@kRv@
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ]9!Gg
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: A- <.#
P}w^9=;S
template < typename Right > d!a2[2Us
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const CNpCe-%&
Right & rt) const b}"vIRz
{ {EiG23!qV
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); N^@%qUvT]
} _dH[STT
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 gu~-}
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 rzc 3k~@
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 dUBVp 9PB
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 see'!CjVo2
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 4cv|ok8P
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? &**.naSo
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: {d{WMq$
T`0`]z !~
template < class Action > \Ho#[k=y*/
class picker : public Action }VJ hw*s
{ Hf`&&
public : A=l?IC@O
picker( const Action & act) : Action(act) {} [{Klv&>_/
// all the operator overloaded u8$~N$L
} ; Xj(k(>7V
g*\v}6
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。 ' ]H#0.
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: |x}&wFV
UVvt&=+4
template < typename Right > TO;]9`~;Mu
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const rUJSzLy
{ u]++&~i
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Qr xO
erp
} Iclan\q#y
55)ep
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ]mDsUZf<
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。 LVz%$Cq,0
Ky{I&}+R|
template < typename T > struct picker_maker 1tK6lrhj
{ Kk"B501
typedef picker < constant_t < T > > result; \ {E;u'F
} ; [Nzg
8FP
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 1OJD\wc
{ MYW 4@#
typedef picker < T > result; Q-3J0=
} ; 7dL=E"WL
U#^:f7-$.
下面总的结构就有了: qy0_1xT-
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。 j$/uJ`
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。 . KSr@Gz
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 `5aypJf1
至此链式操作完美实现。 ?}>B4Z)
2%, ' }Bus
1=cfk#
七. 问题3 kv FOk
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。 X<bj2 w
k?*DBXJv
template < typename T1, typename T2 > Ab|NjY:
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const L.~]qs|G/K
{ h4xf%vA(;
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); jjlCi<9CQ^
} 4)S?Y"Bs
'm.XmVZL%
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: 2nz'/G
o\Vt $
template < typename T1, typename T2 > G"R>a w
struct result_2 KPvYq?F>4
{ XzwQ,+IAr
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; $@!&ML
} ; (E]K)d
Bwvc@(3v
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 0BZOr-i
这个差事就留给了holder自己。 761"S@tf$}
544I#!
SYhspB
template < int Order > z Clm'X/
class holder; \.-y
LS.
template <> :jp$X|
class holder < 1 > CAObC%
{ zU=[Kc=$
public : ue2nfp
template < typename T > w%u[~T7OI
struct result_1 cB'4{R@e
{ 1;9E*=
typedef T & result; ~./u0E
} ; oU6g5
template < typename T1, typename T2 > {.)~4.LhQM
struct result_2 P+l^Ep8P
{ +*~3"ww<
typedef T1 & result; @"5u~o')@v
} ; f
}e7g d]M
template < typename T > "N"k8,LH
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 90I3_[Ii
{ Wm/k(R`O<
return (T & )r; C#cEMKa
} LKG|S<s
template < typename T1, typename T2 > !ry+ r!"
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const FNO
lR>0e
{ Ct33S+y
return (T1 & )r1; Nd)o1{I
} D1/$pA+B
} ; cK/odOi
sZ$ ~abX
template <> 4<HJD&@V
class holder < 2 > 7K4%`O
{ Y5pNKL
public : 0\;a:E.c
template < typename T > pr?(5{BL
struct result_1 o%7yhCY
{ GT0'bge
typedef T & result; MeS$+9jV(
} ; \rO>FE
template < typename T1, typename T2 > r}bKVne
struct result_2 } 4^UVdz
{ +r"$?bw'
typedef T2 & result; wkw/AZ{27
} ; Wn5]2D\vkT
template < typename T > aP gG+tu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const C I0^eaFs
{ d_hcv|%
return (T & )r; 06
1=pV$CJ
} 0:p#%Nvg
template < typename T1, typename T2 > 9NAlgET
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const r8$TT\?~
{ ozG:f*{T
return (T2 & )r2; mYvm_t9
} }% *g\%L
} ; /;1FZ<zU
bHM
.&4G
HVpaVM
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> >。 .}wir,
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: dQb?Zi7g
首先 assignment::operator(int, int)被调用: |Rc#Q<Vh|
PHkvt!uH
return l(i, j) = r(i, j); V"XN(Fd^
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 5**xU+&
mLSAi2Y
return ( int & )i; 98"N UT
return ( int & )j; I5,Fh>
最后执行i = j; QNY{pk
可见,参数被正确的选择了。 G 2##M8:U0
dmne+ufB
DQd&:J@?
Uan;}X7@
v.MWO]L
八. 中期总结 E;N8{Ye_
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: AyDK-8a
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 QG.FW;/L,
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 x,+zw9
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ak zb<aT
H{8\<E:V+}
R\^tr
apXq$wWq{D
?(z3/"g]
U\N`[k.F
九. 简化 6*E7}
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Nf1l{N
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 6 S8#[b
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: XcXd7e
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Yi:+,-Fso
+-*/&|^等 6m9Z5:xG
2. 返回引用。 c!c!;(
=,各种复合赋值等 N.]8qzW
3. 返回固定类型。 51A>eU|
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Kf*+Ilq%L
4. 原样返回。 /T?['#:r-)
operator, d;z`xy(C
5. 返回解引用的类型。 rv+"=g
operator*(单目) \*7Tj-#
6. 返回地址。 "-9YvB#
operator&(单目) jm!G@k6TA
7. 下表访问返回类型。 +Fk.B@KT,
operator[] ^U52
*6
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 I<$lpU_H
operator<<和operator>> Kxg09\5i
z;-2xD0&U[
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。 ^;'3(m=
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 2axH8ONMu
yuND0,e
template < typename Left > VGSe<6Hh
struct value_return !cfn%+0
{ iS"rMgq
template < typename T > ^'}Td~(
struct result_1 )Aj~ xA
{ RxqXGM`4
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; A&z
} ; #JVcl $0Y
J &c}z4
template < typename T1, typename T2 > !=a8^CV
struct result_2 C@K@TfK!M
{ >4;A(s`
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; s3q65%D
} ; 419t"1b
} ; U!('`TYe
J=()
A+
;yH/GN#O
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait es.`:^A
/0 zk &g
下面我们来剥离functor中的operator() Zcc6E2
首先operator里面的代码全是下面的形式: xD1w#FMlQs
JIK;/1
return l(t) op r(t) 8G9V8hS1#B
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 0%vXPlfnY
return op l(t) J|s4c`=
return op l(t1, t2) *NDzU%X8
return l(t) op Q+S>nL!*#1
return l(t1, t2) op <MY_{o8d
return l(t)[r(t)] (d_{+O"
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] fuQ?@F
y>|7'M*+
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: V]IS(U(
单目: return f(l(t), r(t)); N1_nBQF )
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); Q&yfl
双目: return f(l(t)); e KET8v[
return f(l(t1, t2)); f ^z7K
下面就是f的实现,以operator/为例 Uc\\..Cf
I( pU_7mw
struct meta_divide lepgmQ|oY
{ &AC-?R|Dp
template < typename T1, typename T2 > {4UlJ,Z.n
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) y2&G0