一. 什么是Lambda ^[Y/ +Q.J
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 @IOl0db
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, y8dOx=c
%I@vM s^
A|yU'k
ts
r{-4V
class filler AsI.8"
{ )*aAkM
public : 3!i{4/
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} M*aYcIU((
} ; $dug"[
Jv!f6*&<
Ho $+[K
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: WZ UeW*#=
nI8zT0o
o8SP#ET"n
]hZk#rp}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 1G'pT$5&
Y\F4
(R(NEN
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 )M8@|~~
\!*F:v0g^
,q$2D,dz
.`oKd@I*"
二. 战前分析 & d* bQv$
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。 P1<McQ
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 OXZx!h
?\zyeWK0L
&"Fz)}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L5CnPnF
/* --------------------------------------------- */ &uI33=
vector < int *> vp( 10 ); qJw\<7m
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); v+CW([zAx#
/* --------------------------------------------- */ 1/SB[[ g
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); `!ZkWF6
/* --------------------------------------------- */ SRrp=>w?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 2L=(-CH9]
/* --------------------------------------------- */ c$_}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); _,w*Rv5=
/* --------------------------------------------- */ nFwdW@E9
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); biVsbxYurq
Vc+~yh.)
1"T&B0G3l
z]j_,3Hff
看了之后,我们可以思考一些问题: i(xL-&{
1._1, _2是什么? ~!_UDD
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 WrR8TYq9D]
2._1 = 1是在做什么? <<H'Z
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 Zm#,Ike?#
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 rEs!gGNN
d!"gb,ec
M*dou_Q
三. 动工 +\J+?jOC4S
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: yaAg!mW
V_KHVul
Po.izE!C
ca%XA|_J
template < typename T > 'f6!a5qC
class assignment A \Z _br
{ xP 3>8Y
T value; H+Q_%%[N
public : Gn<e&|4>i}
assignment( const T & v) : value(v) {} ZOL#Q+U
template < typename T2 > `U{#;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } TaZlfe5z
} ; s$/Z+"f(
Vtk}>I@%
%3q7i`AZ
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 o|V=3y
Ok
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment :Y)G- :S+
lsVg'k/Z!
mm N$\2
Fh.ZsPn,m
class holder 5%" 0
{ Vje LPbk)
public : d^`n/"Ice
template < typename T > I5g!c|#y
assignment < T > operator = ( const T & t) const &I/C^/F&
{ K Z0%J5
return assignment < T > (t); jDW$}^
6
} smX&B,&@
} ; ~uJO6C6A
wr2F]1bh@
Gdlx0i
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: ?gS~9jgcd
1i
6>~
static holder _1; =`wnng5m
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 M_\)<a(8
bd`}2vr
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 5Veybchy "
而不用手动写一个函数对象。 It8@Cp.dU
HuajdC~
S&~;l/
y?V#LW[^E
四. 问题分析 wU5= '
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。 -}Gk@=$G
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 )n$RHt+:>
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 efm#:>H
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 t8S,C4
下面我们可以对这几个问题进行分析。 WSV% Oy3V
Tv~Ys#
五. 问题1:一致性 y3mJO[U0 a
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?| W$u/tRF
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 4:qM'z
p}k\l dmh{
struct holder EP]O J$6I
{ bOdyrynh
// `xu/|})KI
template < typename T > RQd5Q.
T & operator ()( const T & r) const OeY+Yt0
{ m-}6DN
return (T & )r; Z$ Mc{
} GZNfx8zsY+
} ; w_^g-P[o-
sqk$q pV6
这样的话assignment也必须相应改动: W8s/"
M9dUo7
template < typename Left, typename Right > <}^l MBa
class assignment ewzZb*\
{ Z<6Fq*I
Left l; rTLo6wI
Right r; Km,:7#aV
public : 4Nz]LK%@
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} **lT 'D
template < typename T2 > 8i?h{G IMV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 'Lv>!s 7
} ; nV+]jQ~o
Z\P&i#
同时,holder的operator=也需要改动: P*sb@y>}O
XKT2u!Lx
template < typename T > 00(#_($
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const !Typ_Cs
{ rJ}k!}G
return assignment < holder, T > ( * this , t); 'CO3b,
} Na2n4x!
]R s
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。 {`CmE/`{
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 by%k*y
[X|KXlNfm
return l(rhs) = r; A/{0J\pA
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。 h$eVhN&Vv
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: */yR_f
- Ado-'aaS
template < typename Tp > vx8-~Oq{|;
class constant_t Y>: e4Q
{ t=$Hv
const Tp t; pJ 7="n
public : #'jd.'>
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} C [h^bBq
template < typename T > SH${ \BKup
const Tp & operator ()( const T & r) const "G3zl{?GP
{ ^-i<TJ
return t; 8h| 9;%
} P1f@?R&t+
} ;
;iMgv5=
5U+a{oA
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 EZvf\s>LT
下面就可以修改holder的operator=了 jvfQG:F }
;3H#8x-
template < typename T > jsrIZbN
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const /}=Bi-
{ 9:tn!<^=I
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); }yW*vy6`
} p:n.:GZ=y
iCrLZ"$M
同时也要修改assignment的operator() g`BtG
1-M\K^F
template < typename T2 > "dO>P*k,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } :>'4@{'
现在代码看起来就很一致了。 a9 CK4Kg
(ug^2WG
Yq
六. 问题2:链式操作 %[9d1F3
现在让我们来看看如何处理链式操作。
xfyUT^
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。 Y$SwQ;wl
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ,B=;NKo
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 wUbs9y<
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 0=^A{V!m
9M&uQccY
template < typename T > Px<*n '~}
struct result_1 iHB1/
{ <!r0[bKz@
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; .% rB-vO:g
} ; Y79{v nlGk
jg_##Oha
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: a;2Lgv0/
Jm l4EW7
template < typename T > (IY=x{b
struct ref *75?%l
{ `1eGsd,f
typedef T & reference; s}pn5zMp:8
} ; UmRI! WQl
template < typename T > ATb[/=hP<R
struct ref < T &> LmKG6>Q1#1
{ N d"4*l;
typedef T & reference; ;P{HePs=)
} ; ARD&L$AX
3'H 1T
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: >,Zf3M
}LaRa.3
template < typename T > SbLx`]rI
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const -R[ *S "
{ <opBOZ
d
return l(t) = r(t); 1qw*mV;W)_
} Y!8Ik(/~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。 MU ;
L7^
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 qDQ$Zq[
7n1@m_7O
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 `~bnshUk
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: k8}*b&+{vz
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ZPT6
pJ
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 T-:
@p>
最后的布局是: o0nKgq'w|x
Add ib4 shaN`
/ \ `(r[BV|h}
Divide 5 2\Vzfca
/ \ X0,?~i6Q
_1 3 Hvn{aLa.
似乎一切都解决了?不。 J~6-}z
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 iY /N%T;
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ~"E@do("
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: /5ngPHy&
;_.%S *W\
template < typename Right > 5AWIk,[
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;$Eg4uX
Right & rt) const GgoPwl#{
{ *LTFDC
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); y^o*wz:D*
} X
8V^
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ~mqiXr8
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。 1N#KVvK
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。 p nS{W
\Q
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。 Hoaf3
`n
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。 M(l>^N8W8
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? VpDNp
(2
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: fa7I6 i
Pa.D+
template < class Action > )Q_^f'4
class picker : public Action 'WEypz
{ 0-ISOA&
public : vI<n~FHt
picker( const Action & act) : Action(act) {} ]UR@V;JG
// all the operator overloaded ]-Z="YPY
} ; a=<l}`*
f$G{7%9*
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。 cxBu2(Y
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: nATEv2:G
!TJCQ[Aa}
template < typename Right > ggr\nY
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const >tf y\P Y:
{ WD=#. $z$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1gEeZ\B-&
} sLGut7@Sg
,&Iw5E[
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > qNI2+<u)j
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。 D<=:9
F;5S2:a@Z
template < typename T > struct picker_maker l$ABOtM@
{ @Sxb}XI!f
typedef picker < constant_t < T > > result; <IWO:7*#
} ; }<y-`WB
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Ccmo(W+0
{ c2aX_ "
typedef picker < T > result; Gj6(ycaS
} ; "0JG96&\
:J|t! `
下面总的结构就有了: 26yjQ
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 &tT*GjPwg;
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 qJ).;S{AAt
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >
YHwWf-
至此链式操作完美实现。 {H
FF|Dx
`:hEc<_/
`N8?F3>
七. 问题3 !;";L5()
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 |D `r o
h,-8(
S
template < typename T1, typename T2 > 0/7y&-/(
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 8`e75%f:2
{ %UEV['=
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 5$kv,%ah
} e;1n!_l\
.VFa,&5;3
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: 9[<,49
!&f(Xs
template < typename T1, typename T2 > }!tJ3G
struct result_2 3z^l
{ |P{K\;-
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; q9GSUkb
} ; ig
Mm.1>
2hOr#I$/
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 0/".2(\}T
这个差事就留给了holder自己。 rQ0V3x1"Qx
'Xl[ y
K!|%mI8gk
template < int Order > Ok7i^-85
class holder; N1dp%b9W(
template <> qA4w*{JN
class holder < 1 > ?nW K s
{ (E'f'g
public : W'f{u&<
template < typename T > <k2Qcicy
struct result_1 p&Usl.
{ <S*o}:iB
typedef T & result; gwvy$H
} ; ,j{$SuZM
template < typename T1, typename T2 > =c{/ Z
struct result_2 Za+26#g
{ p=T,JAI t
typedef T1 & result; ZJL[#}*
} ; /ESmQc:DWB
template < typename T > tvH{[e$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const q$[x*!~
{ a?]Ow J
return (T & )r; ^j1?L B
} joa|5v'
template < typename T1, typename T2 > ^rd]qii"
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const lNtZd?=>
{ MjIp~?*
return (T1 & )r1; `'BvUTDyZ
} :Gyv%>.
} ; vh8{*9+
A;~u"g 'z&
template <> +we3BE.
class holder < 2 > w!{g^*R+!
{ nK*$P +[R
public : 8+5-7)
template < typename T > D'y/pv}!
struct result_1 u_.`I8qa
{ &M$s@FUY
typedef T & result; wy3{>A Z(
} ; _9!_fIY
template < typename T1, typename T2 >
Xrpzc~(
struct result_2 p"Ki$.Y
{ Hd(|fc{2
typedef T2 & result; 9;3f`DK@2k
} ; [eV!ho*r
template < typename T > I~lX53D
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const yQ)y#5/<6
{ }5#<`8
return (T & )r; N~H9|CX
} $_,?SXM
template < typename T1, typename T2 > a%Ky;ys
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 3| 5Af
{ 2lw0'
return (T2 & )r2; W2Y%PD9a
} SJhcmx+
} ; F5Tah{
.%>UA|[~:
S[!-M\b
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 Bfw]#"N`
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: hamn9
首先 assignment::operator(int, int)被调用: pNFL;k+p}
F-%wOn /
return l(i, j) = r(i, j); gD0O7KO
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) @D%H-X
]Auk5M +
return ( int & )i; aNgaV$|2a
return ( int & )j; WlnmW(uahW
最后执行i = j; |eIEqq.Eb
可见,参数被正确的选择了。 &CW,qY,sh
tiJY$YqA
]Bw2> 6W
=s"_! 7
N(0G!sTI
八. 中期总结 " SkTVqm
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 3 A2X1V"
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 [pf78
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 o ohgZ&k2]
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 'Dyt"wfo
}=Yvs)
nff&~lwhZ
-.ITcDg
V~-<VM6
/C"dwh"``
九. 简化 '/+l\.z"&
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 &$uQ$]&H
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 #UGtYD}"
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: oj*5m+:>a
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 CU)'x
E
+-*/&|^等 \[&`PD
2. 返回引用。 %Y8#I3jVJ
=,各种复合赋值等 ^44AE5TO
3. 返回固定类型。 X~XpX7d!
各种逻辑/比较操作符(返回bool) `btw*{ .[
4. 原样返回。 +jD?h-]
operator, !`S?
5. 返回解引用的类型。 !J
")TP=
operator*(单目) QUd`({/@:
6. 返回地址。 hEAt4z0P
operator&(单目) $/;:Xb=q
7. 下表访问返回类型。 TNBFb_F
operator[] K FV&Dt}<
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 +^$FA4<~
operator<<和operator>> $
hwJjSZ0
NN1d?cOn
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。 [/uqH
例如针对第一条,我们实现一个policy类: I$sJ8\|gw'
"R@N}q<*v2
template < typename Left > MB|+F
struct value_return f ?:
o
{ H@0i}!U64
template < typename T > B0I(/ 7
struct result_1 $I&DAG