一. 什么是Lambda *_"u)<J
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 {G*OR,HN
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, j?-R]^-5
!d8A
B+"g2Y
9M'DC^x*T
class filler 9/kXc4
{ ;^ 3$kF
public : ; )llt
G
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} +pp9d-n
} ; CVQB"L
_kN*e:t
W&C-/O,m
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: Gx'TkU=
Z 0*%Rq
3ZojE ux`
<kbyZXV@K
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Cv^`&\[SW+
;`UecLb#
Yb:pAzw6
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 :(p)1=I
r}W2 Ak\
8\Hr5FqB(
wC`
R>)
二. 战前分析 1mH\k5xu
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。 SlaDt
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 CDdkoajBa
-^SA8y
|/T43ADW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?KP}#>Ba@
/* --------------------------------------------- */
>|*yh~
vector < int *> vp( 10 ); 'jjb[{g^}}
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); $$1qF"GF
/* --------------------------------------------- */ gQouOjfP
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); RiR:69xwR*
/* --------------------------------------------- */ e;ty !)]
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); >EP(~G3u
/* --------------------------------------------- */
4["&O=:d
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); -JV~[-,
/* --------------------------------------------- */ p]ivf
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); GEe`ZhG,
J/ W{/E>;
VQxpN 1
vAi$[p*im
看了之后,我们可以思考一些问题: *>."V5{;S
1._1, _2是什么? ax|1b`XUr"
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 k;Fh4Hv
2._1 = 1是在做什么? \40YGFO
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 &.N$
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。 r;m`9,RW
|vILp/"9=W
%*W<vu>H
三. 动工 50~K,Jx6B
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ^gYD*K!*
CxF-Z7 '
~cqryr9
P Sx304
template < typename T > g/Wh,f3
class assignment i::\Z$L";i
{ n&Yk<
T value; ]Pc^#=(R0
public : io%')0p5q
assignment( const T & v) : value(v) {} IL!=mZ>2O
template < typename T2 > h(' )"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } t"AzI8O
} ; }!s!;BOx
DQXS$uBT
:c]`D>
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 n(vDytrj;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 1HR~G9
,k0r
N_DT7
ZafboqsDL
class holder +R.N%_
{ MI#mAg<
public : 5VE2@Fn}
template < typename T > w4:\N U
assignment < T > operator = ( const T & t) const =f 7r69I"
{ {nMAm/kyj
return assignment < T > (t); Es'Um,ku
} XFqJ 'R
} ; =A!S/;z>
[L~@uAMw:
K%j&/T j1
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: vO@s$qi
& >JDPB?5
static holder _1; :k,Q,B.I
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 .tXtcf/
{}Ejt:rKN
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); t?)pl2!A
而不用手动写一个函数对象。 [=%YV# O
l{WjDed
xN"Z1n7t
\nvAa_,
四. 问题分析 :@3Wg3N
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。 b1`r!B,
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。 Rf"Mr: ^
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 e}{U7xQm1
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 $t=O:
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Y)I8eU{Wl(
KeBQH8A1N
五. 问题1:一致性 *nTU#U
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| -9Ws=r0R
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 &h~aChJ
MXvXVhCU
struct holder ;%!m<S|%k
{ [rYT
// XvGA|Ekf<
template < typename T > RW7(r/C
T & operator ()( const T & r) const 7C,T&g
1:
{ @y|_d
return (T & )r; -X1X)0v$
} n!ok?=(kQ
} ; SZ!=`a]
[`_io>*g
这样的话assignment也必须相应改动: :+&AY2`
@R2at
template < typename Left, typename Right > 4Yjx{5QSAG
class assignment y2yKm1<Ru<
{ "^CXY3v
Left l; bE\,}DTy
Right r; +: Ge_-
public : 6[dur'x
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ,^s
template < typename T2 > )R)a@op
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 40P) 4w
} ; 4FMF|U
6`H.%zM
同时,holder的operator=也需要改动: xi'>m IT
^4$'KIq
template < typename T > cPF<D$B
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ;[0&G6g
{ C2F0tr|
return assignment < holder, T > ( * this , t); ~oD8Rnf
} SW?p?<
E
l&h;N
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。 .p6+l!"
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 9s$U%F6}
&eZfQ27$
return l(rhs) = r; 1cJsj
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。 o|8`>!hF
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: t} p@:'
HK=[U9 o?
template < typename Tp > NX6nQ
class constant_t ^y_fRP~
{ `sHuM*
const Tp t; +V(5w`qx
public : I=Zx"'Um
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} i76 Yo5
template < typename T > -pb&-@Hul
const Tp & operator ()( const T & r) const %!j:fJ()
{ #;tT8[Ewuw
return t; woOy*)@
} z4U9n'{
} ; %}Q&1P=
}=}>9DSM
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ">jwh.
下面就可以修改holder的operator=了 %Kb9tHg
L\aBc}
template < typename T > v:_B kHN'
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const l:(Rb-Wy
{ iZ,YxN<R
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 6tjcAsV
} :osz
!dcwq;Ea
同时也要修改assignment的operator() p9ZXbAJ{
7S^""*Q^
template < typename T2 > c'fSu;1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 1&)_(|p[C
现在代码看起来就很一致了。 ||B;o-
A2H4k|8
六. 问题2:链式操作 g[z.*y/
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -7]Xjb5
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。 )9nElb2
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。 bha?eN
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。 f^<6`Aeq
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct vwGeD|Fb5
hsLzj\)6
template < typename T > hP@(6X,"
struct result_1 sKaE-sbJY
{ b3$k9dmxV+
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; T3&`<%,f
} ; U HO_Z
E_ucab-Fi
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: ;&;W
T
Ze^jG-SL$9
template < typename T > q }C+tn"\
struct ref GR4?BuY,
{ H^%.=kf
typedef T & reference; -`c:}m
} ; 6)gd^{
template < typename T > q!,zq
struct ref < T &> T)CzK<LbR
{ K`:=]Z8
typedef T & reference; <I*x0BM=
} ; xl4=++pu)
QP I+y8N=
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: WgR4Ix^L#
*<V^2z$y_
template < typename T > 3yS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ni CE\B~
{ 4g
_"ku
return l(t) = r(t); ``Q2P%
} 7YIK9edP
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。 @$@mqHI}
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 %,*$D}H
{==pZpyyh
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 =(r*
5vd
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: $6f\uuTU2"
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 D$k8^Vs
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ,\PVC@xJ
最后的布局是: +*nGp5=^GE
Add @!tVr3;N$
/ \ 9L eNe}9v
Divide 5 v[k5.\No
/ \ m@xi0t
_1 3 PFSLyV*
似乎一切都解决了?不。 W=}Okq)x9I
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。 /!FWuRe^
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。 *=F(KZ
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: B33$ u3d
*tQk;'/A]
template < typename Right > cSP*f0n,eo
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const y7u^zH6wj
Right & rt) const 9|r* pK[
{ ilLBCS}
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _uxPx 21g}
} mPZGA\
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 3C>qh{z"
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。 JHV)ZOO
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。 &M&{yc*%
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。 A]`:VC=IU
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。 j}HFs0<L
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? <_S@6?
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: |lQ;ALH!
KJhN J
template < class Action > XH 4d<?qu
class picker : public Action &&8'0.M{
{ M7}Q=q\9
public : |!z2oO
picker( const Action & act) : Action(act) {} cL7g}$W$
// all the operator overloaded aC=['a>)
} ; _cqy`p@"
}6zbT-i
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。 %FkLQ+v/<
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: Xh3;
.#6MQJ]OH
template < typename Right > RNJFSD.
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Va<HU:<
{ jRZ%}KX
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )6oGF>o>
} 5a`%)K
|WQ9a' '
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > O_,O,1
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。 U..<iNQE5
".2K9j7$
template < typename T > struct picker_maker f_mhD dq
{ .QWhK|(.!
typedef picker < constant_t < T > > result; =jAFgwP\
} ; lP<I|O=z
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 6DF
{ Rs;15@t@
typedef picker < T > result; -e -e9uP
} ; E0f{iO;}
xN->cA$A
下面总的结构就有了: fZryG
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 :J_oj:0r"f
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 Pi6C/$
K
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 )$M,Ul
至此链式操作完美实现。 F3E[wdT
JNU/`JN9f
T|4snU2M
七. 问题3 |hzT;
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ,{}#8r` +*
/I{R23o
template < typename T1, typename T2 > E)p9eU[#
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const sa-9$},z4
{ }6m?d!m
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); v"6 \=@
} 59 2;W-y
rGwIcx(%
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: >l1r,/\\
x"B'zP
template < typename T1, typename T2 > Utl
t<
struct result_2 loOOmHhJ&
{ P_4DGW
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Lubrn"128
} ; cnNOZ$)
v"lf-c
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? gT52G?-
这个差事就留给了holder自己。 b{[*N
`iixq9xi
F@W*\3)
template < int Order > 7nE"F!d+0
class holder; Epjff@7A
template <> #gZ|T
M/h
class holder < 1 > mV\$q@sII
{ 8n)WW$
public : wT_^'i*@I
template < typename T > C8b''9t.
struct result_1 c[(Pg%
{ MK$Jj"
typedef T & result; LsTffIP
} ; R, 0Oq5
template < typename T1, typename T2 > 05e>\}{0
struct result_2 pdz'!I
{ J\`^:tcG
typedef T1 & result; 8C&x MA^
} ;
ZXXiL#^
template < typename T > HtBF=Boq
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const aC\4}i<
{ Ie_I7YJ
return (T & )r; 4<gJ2a3
} %v=!'?VT
template < typename T1, typename T2 > F@SG((`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const o0Gx%99'
{ h}Ygb-uZ
return (T1 & )r1; d<T%`:s<
} gA:TL{X0
} ; ^#SBpLw
K8Zt:yP
template <> 3 wt
class holder < 2 > f1cl';
{ uw_?O[ZA[
public : F=Y S^
template < typename T > .h8M
struct result_1 d6b.zP
{ i^g~~h
F
typedef T & result; Yn<)k_kp
} ; /$`;r2LG
template < typename T1, typename T2 > r%-n*_?.s
struct result_2 Auac>')&Q
{ Y mDn+VIg
typedef T2 & result; ]P3[.$z
} ; <Jwo?[a
template < typename T > L8P36]>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const uPU#c\
{ d]7*mzw^j
return (T & )r; >d%VDjk .
} Gpu_=9vzv
template < typename T1, typename T2 > _Ex?Xk
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ]
09y y
{ 2Ow<`[7
return (T2 & )r2; a<p
%hY3
} +Jq`$+%C
} ; !;WbOnLP
cjT[P"5$
sp{j!NSL
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> >。 7^wE$7hS
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 2f{kBD
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ;&mxqY8`'
;,`]O!G:P
return l(i, j) = r(i, j); s`vSt*
]K
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ITvHD-,\
-tP.S1D
return ( int & )i; .0
X$rX=
return ( int & )j; lC{L6&T
最后执行i = j; 04\Ta
可见,参数被正确的选择了。 ..$>7y}
a7 )@BzF#
R0IF'
Zd XKI{b
nKu(XgFv
八. 中期总结 %8<2>
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: ;MZbL)
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 p">WK<N
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 {X]9^=O"
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor .EzSSU7n)
6o(lObfo
o16~l]Z|f
c}cG<F
*-7fa0<
i-"<[*ePd
九. 简化 F*!gzKZ"
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 \7DCwu[0M
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 hU+#S(t>b
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: !qS05
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 +{^'i P
+-*/&|^等 %IU4\ZY>
2. 返回引用。 5~yQ>h
=,各种复合赋值等 d'q&Lq
3. 返回固定类型。 `\e'K56W6
各种逻辑/比较操作符(返回bool) w 3d\0ub
4. 原样返回。 X&,N}9>B
operator, v?{vg?vI
5. 返回解引用的类型。 7YD\ !2b
operator*(单目) ku-cn2M/
6. 返回地址。 <>?^ 4NC<M
operator&(单目) oE 5;|x3
7. 下表访问返回类型。 .Nk6
operator[] BiE$mM
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 *Ji9%IA
operator<<和operator>> ]%||KC!O
kp.|gzA6
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。 Uv'uqt
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ~Ji>[#W
K
@21u I{
template < typename Left > Cl{{H]QngX
struct value_return KG-UW
{ I,w^?o
template < typename T > dkETM,
struct result_1 i >J:W"W
{ DWdLA~'t
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 6\XP|n-0+0
} ; WEps.]s
}il%AAI9}r
template < typename T1, typename T2 > cS5w +`,L
struct result_2 ^`/V i
{ Lq%[A*`^
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; . ^BWR
} ; uH=Gt^_
} ; \2(MpB\_6!
Fr<Pe&d