一. 什么是Lambda }D;WN@],
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ,|h)bg7.
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, 2VGg 6%
U*)m',
oD.r`]k
_S`o1^Ad
class filler CU)|-*uiK
{ 3\:y8|
public : C\*4q8(
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ,xfO;yd
} ; B*3Y!!
@~ETj26U'
y[?-@7i
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: qfoD
{d<;BLA
n, i'Dhzk
.(CP. d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); /i]y$^
8}s.Fg@tE
Qf $|_&|
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 x@Hd^xH`
n$n7-7
7 msAhz
tmUFT
二. 战前分析 hrGH}CU"
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。 @]aOyb@
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 "vZ!vt#'Y
Pr ]Ka
TuDE@ gq(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); E&$yuW^z
/* --------------------------------------------- */ Yz$3;
vector < int *> vp( 10 ); 4m)OR
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); jPZaD>!
/* --------------------------------------------- */ 67SV~L#%O
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); n\z,/'d"
/* --------------------------------------------- */ Z|"p*5O,
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); j _L@U2i
/* --------------------------------------------- */ ,#?uJTLH
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); T"7~AbgNU
/* --------------------------------------------- */ $(e#aHB
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); X;v$5UKU
mZz="ZLa:
4(Iplo*Ys@
zOgTQs"ZH
看了之后,我们可以思考一些问题: 03E4cYxt5
1._1, _2是什么? 4k-+?L!/G
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 YjOs}TD lx
2._1 = 1是在做什么? ' Z0r>.
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 jw<pK4?y
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 29CINC
a]
=
}v:jncp
三. 动工 %wcSM~w
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: :+Om]#`Vls
:0& X^]\
`K~AhlJUQ
2_vbT!_
template < typename T > r%:+$aIt
class assignment h\v'9
{ ,to+oSZE
T value; ,1OyN]f3
public : c:Wze*vI;
assignment( const T & v) : value(v) {} om?-WJI
template < typename T2 > g<{xC_J
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } )q7UxzE+
} ; m<FOu<y
<1%f@}+8
NT@;N /I
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 xk&Jl#v
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment JRo?s~Ih
B#/Q'V
b4^`DHRu6
;q N+^;,2
class holder *HEuorl
{ M@0;B30L
public : )jrV#/m9
template < typename T > 2{|h8oz
assignment < T > operator = ( const T & t) const L_=3<nE
{ 3bnS
W5
return assignment < T > (t); 0d8%T<=J
} GFr|E8
} ; u#}[ZoI
5onm]V]
2^i(gaXUQ
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: P ;IrBq6|o
y
WV#Up
static holder _1; AL>$HB$
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 qOIW(D
q.,JVGMS
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8 r_>t2$
而不用手动写一个函数对象。 Aq3}Ng
"*G.EiLq
mZd ,
9
vWGwVH/K
四. 问题分析 r@ZJ{4\Q
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。 u\eEh*<7q
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。 M|:UwqV>
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Yw#2uh
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 {nLjY|*
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Qxj JN^Q
M(/r%-D
五. 问题1:一致性 [jmd
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?| !.d@L6
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 9k{PBAP
b0oMs=uBn
struct holder -[-wkC8a
{ RjN{%YkXe
// ..rOsg{
template < typename T >
"~'b
T & operator ()( const T & r) const n=[/Z!
{ Yk=PS[f
return (T & )r; >,td(= :
} qgfi\/$6
} ; o"*AtGR+"
812$`5l
这样的话assignment也必须相应改动: wiiCd
ti#7(^j
template < typename Left, typename Right > -\C!I
class assignment AvW:<}a,
{ 2k=#om19
Left l; Qjb:WC7he
Right r; .0es3Rj
public : )==Jfn y
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} #'y#"cmQ.
template < typename T2 > 4ecP*g
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } NX}<*b/
} ; R6(oZph
9g<7i
同时,holder的operator=也需要改动: =zz~kon9
AB4(+S*LA
template < typename T > :8OZ#D_Hl
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const M]J^N#
{ HPZ}*m'
return assignment < holder, T > ( * this , t); Ftr5k^!
} ')$+G152
V;v8=1t!
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ml+; Rmvb
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 %
yw?s0
aeD ;5VV
return l(rhs) = r; sfNE68I2
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 !4X
f~P
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: b}"N`,0dO
}|pwz
template < typename Tp > R#I0|;q4|p
class constant_t Hg=";,J
{ ZusEfh?
const Tp t; P(f0R8BE
public : NGbG4-w-
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} GaK-t*Q
template < typename T > e7sp =I,
const Tp & operator ()( const T & r) const j-lfMEa$o
{ %4gg@Z9
return t; ;'cN<x)%|
} 6}FP
} ; Jt}Bpg!J
32`{7a3!=
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 z62;cv
下面就可以修改holder的operator=了 j3{D^|0bP
yjF1}SQ
template < typename T > N u<_}
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const $adbCY\
{ {y_98N
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); )!P)U(*v
} :qd`zG3
T[g[&K1Y
同时也要修改assignment的operator() 5?]hd*8
T9Nb`sbV]
template < typename T2 > _I:/ZF5
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } A\HxDIU
现在代码看起来就很一致了。 `ojoOB^L
mjW8Q\D
六. 问题2:链式操作 aWR}R>E
现在让我们来看看如何处理链式操作。 (KDD e}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。 J1C3&t}
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。 `)T13Xv
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。 KbA?7^zo`
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct n$$SNWgM
tp6 3@L|Q
template < typename T > d?A
0MKnl
struct result_1 YoBDvV":@
{ \1^^\G>H5
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; K<>oa[B9
} ; 0Ziw_S\d&s
P\1L7%*lU
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: nU7>uU
v>Q#B
template < typename T > \1D<!k\S
struct ref ~a ]+#D
{ x|pg"v&[
typedef T & reference; &L'Dqew,*
} ; {xXsBh
Y
template < typename T > >n'o*gZM
struct ref < T &> %C|n9*
{ '"SEw
w
typedef T & reference; l`#4KCL(
} ; >7jbgHB
r]:(Vk]|F
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: wn/_}]T
ChGYTn`X
template < typename T > au:
fw
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const /_I]H
{ -?V-*jI
return l(t) = r(t); H[,i{dD
} L^@'q6*}
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。 TO]@
Zu1
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 \LR~r%(rM
&"&Z
#llb
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 QdF5Cwf4
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Q(wx nm
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ILEz;D{]
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 VVac:
最后的布局是: d3ZdB4L
Add v%+:/m1
/ \ Br1&8L-|%
Divide 5 %5M/s'O?i
/ \ &Sw%<N*r
_1 3 u0|8Tgf
似乎一切都解决了?不。 }B\a<0L/
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。 g{OwuAC_
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。 z> Rsi
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: j*so9M6|c
HN=V"a
template < typename Right > Dfg2`l
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const X[]m _@ v
Right & rt) const 6Ypc`
{ Ql/cN%^j$
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); v$7QIl_/7
} Mm.<r-b
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 _aGOb;h
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。 8i>ZY
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。 R!\_rc1/
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。 v1o#1;
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。 3er nTD*`
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? $HHs ^tW
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: +b0eE)
~.{/0T
template < class Action > DS+}UO
class picker : public Action :ubV };
{ 4>F'oqFF
public : 0m%|U'm|j
picker( const Action & act) : Action(act) {} gd%NkxmW
// all the operator overloaded ~$Tkn_w#
} ; <"{qk2LS1
Uzz'.K(Mv|
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。 rI= 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: be]bZ
1f
Tl(^
template < typename Right > F,W~,y
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const "-e
\p lKj
{ G18F&c~
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); sqEI4~514
} $?Yry.2
/oR0+sH]
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Dv| #u|iw
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 @mOH"acGn?
RQ vft
template < typename T > struct picker_maker i6dHrx]:,
{ "+kL)]
typedef picker < constant_t < T > > result; fkuLj%R
} ; ii[F]sR\
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > qkt0**\
{ =
s>T;|
typedef picker < T > result; Vq2y4D?
} ; .aO,8M
u$DHVRrF<
下面总的结构就有了: Wvbf"hq
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。 kpJ@M%46
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。 UtPLI al
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 !}YAdZJ
至此链式操作完美实现。 %`>nS@1zp
?I6fye7
?k]2*}bz
七. 问题3 >zw.GwN|
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。 q*U*Fu+
K{&mI/;
template < typename T1, typename T2 > nxUJN1b!N
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const _-q.Q^
{ pWy=W&0~qf
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); YLqGRE`W
} $bW3_rl%X
L^E[J`
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,sv9{4r
$+P>~X)
template < typename T1, typename T2 > ?oVx2LdD|
struct result_2 M2
,YsHt
{ %-)H^i~]%
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; )2Wi`ZT
} ; 7|{}\w(I
;nep5!s;<
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? "fG8?)d;
这个差事就留给了holder自己。 n!YKz"$
!TAlBkj
f%SZg!+t
template < int Order > XG}C+;4Aw
class holder; pOGeruu?
template <> 5Sm}nH
class holder < 1 > GR&z,
{ .:@Ykdm4I
public : fKeT,U`W
template < typename T > GGNvu)"
struct result_1 Bzkoo J
{
3L<wQ(
typedef T & result; 7op`s5i
} ; v4u5yy_;(
template < typename T1, typename T2 > ~D<IB#C
struct result_2 "3Uv]F
{ Wi*.TWz3
typedef T1 & result; e5* ni/P
} ; -wp|RD,}(
template < typename T > \#f<!R4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const kjg~n9#T
{ K?[q%W]%
return (T & )r; xDG2ws=@D
} 4i6q{BeHn
template < typename T1, typename T2 > u$>4F|=T
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /RNIIY~w
{ kW*f.!
return (T1 & )r1; tQ8.f
} 695V3R 7
} ; ]"t@-PFX<
x}_]A$nV
template <> Zo|.1pN
class holder < 2 > !ipR$ dM
{ =T-&j60
public : |uX,5Q#6
template < typename T > !j:9`XD|
struct result_1 ,I7E[LU
{ 0O9Ni='Tn
typedef T & result; >OL 3H$F
} ; /q<__N
template < typename T1, typename T2 > &:/hrighH
struct result_2 TV<'8L
{ R%{a1r>9h
typedef T2 & result; Rtb7|
} ; K@sV\"U(*E
template < typename T > ,24p%KJ*X
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const }@;ep&b*
{ UELy"z
R
return (T & )r; x,rlrxI
} 01}C^iD
template < typename T1, typename T2 > Q~OxH'>>(
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const qCljo5Tq'
{ U@HK+C"M|
return (T2 & )r2; G`n_YH084
} <L"GqNuRQ
} ; v{(^1cX
7uKNd
*%
{ &"CH]r
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 spdvZU=}
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: qT%FmX
首先 assignment::operator(int, int)被调用: \!k1a^ZP
d/ARm-D
return l(i, j) = r(i, j); eZSNNgD<:
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) =osv3>&q
&7`^i.fh)
return ( int & )i; YpH&<$x:
return ( int & )j; S'4(0j
最后执行i = j; rf?qdd(~cH
可见,参数被正确的选择了。 yUZb#%n
O!P H&;H
y`F3Hr c
:<hXH^n
F@mQQ
八. 中期总结 r~/
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: rf>0H^r
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ?$*SjZt
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。
1Md
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor VtnRgdJ
`+o2DA)#(
)Qe~8u@?
;nodjbr,j
tKuVQH~D
ToJ$A`_!`
九. 简化 z.kvX+7'
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。 (BTVD,G
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 EK;YiJ
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: [<%H>S1
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 vgsJeV`}I
+-*/&|^等 lr`&mZ( j
2. 返回引用。 qAn! Rk A
=,各种复合赋值等 ;\]b T;#
3. 返回固定类型。 w2
a1mU/
各种逻辑/比较操作符(返回bool) @)|C/oA
4. 原样返回。 EB2w0a5
operator, 4)@mSSfn.
5. 返回解引用的类型。 WU
quN
operator*(单目) X$ s:>[H
6. 返回地址。 `(YxI
operator&(单目) umiBj)r
7. 下表访问返回类型。 E%rk[wI
operator[] 'eLqlu|T
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 M_"L9^^>N
operator<<和operator>> q1QL@Ax
\P.I)n`8 y
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。 X~lVVBO
例如针对第一条,我们实现一个policy类: h| ,:e;>}
6LalW5I
template < typename Left > BI3@|,._N
struct value_return Lv|q
{ N"]q='t
template < typename T > .NYbi@bk(<
struct result_1 -I&m:A$4*
{ a0D%k: k5
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; D|e
uX7b
} ; k@/sn(x
fh](K'P#^
template < typename T1, typename T2 > p-Kz-+A [
struct result_2 / c AUl
{ ti
I.W
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; M luVx'
} ; : cF[(i/k4
} ; ^Wt*
xT
.(^ ,z&
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait f33 l$pOp
- `p4-J!Fy
下面我们来剥离functor中的operator() ] Hzt b
首先operator里面的代码全是下面的形式: L*&p!
IIn"=g=9
return l(t) op r(t) G/7cK\^u
return l(t1, t2) op r(t1, t2) IOqwCD[
return op l(t) uI1q>[
return op l(t1, t2) XCU7xi$d
return l(t) op w8U&ls