一. 什么是Lambda %i.|bIhmm
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 6:B5PJq
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, Bs# #3{ylu
d\)v62P
!?l 23(d
]6:5<NW
class filler Ce:R
p?
{ z9D2,N.
public : 5Q%#Z
L/'
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} s &.Z;X
} ; qS2%U?S7
I?fE=2}9
y.O? c&!
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: BKDWd]KEf
EXBfzK)a
ze4/XR
5vpf;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Fj]S8wI
plf<O5'
-"cN9RF
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 yr=r?h}
:EO}uP2
!3b%Q</M H
{[s<\<~B*
二. 战前分析 5G!X4%a
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。 S 5d{dTPq
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 b~Ruhi[E
lyi}q"Kn*;
h)<R#xw
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .U1dcL6
/* --------------------------------------------- */ i]YQq! B
vector < int *> vp( 10 ); }UO,R~q~
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); gO/(/e>P
/* --------------------------------------------- */ l~=iUZW<
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); _4W#6!
/* --------------------------------------------- */ ]u,~/Gy
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 9F-k:hD |
/* --------------------------------------------- */ "/"qg
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); =&p bh
/* --------------------------------------------- */ OM.^>=
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); H|!s.
y{"E)YY
VsmL#@E
m3WV<Cbz
看了之后,我们可以思考一些问题: L,ra=SV F
1._1, _2是什么? y8 N b8m
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。 |")x1'M
2._1 = 1是在做什么? }ot _k-
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。 $"i690
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 w*
I+~o-
,YY#ed&l
n=&c5!
三. 动工
>ob/@
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ;1dz?'%V
42u\Y_^ID
l#"alU!<^
VMWg:=~$
template < typename T > 4yA`);r62
class assignment LnDj
{ 9PJDT]
T value; *p3P\ H^5
public : c{Kl?0#[
assignment( const T & v) : value(v) {} W~tOH=9>
template < typename T2 > !.9vW&t
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } sV<4^n7
} ; V.#8-?z
~D5MAEazS
Q8x{V_Pot
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 3~Ln:4[6ID
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment {H V,2-z
:#}`uR,D/
_);Kb/
m3!M L>nLt
class holder b..$5
{ f>dkT'4
public : CiI:
uU
template < typename T > Bs?F*,zDJ
assignment < T > operator = ( const T & t) const E5 oD|'=WA
{ .Qt3!ek
return assignment < T > (t); P;%QA+%7
} mj=|oIMwT
} ; }qhK.e
>e;STU
fZ}Y(TG/
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: F5+_p@!i
Fz&ilB
static holder _1; &.hRVW(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 |nN/x<v
Ts .Zl{B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ;6nZ
而不用手动写一个函数对象。 %uVJLz
_a$DY,;
VtiqAh}4
6;frIl;
四. 问题分析 xsDa!
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。 |7zP8
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。 1lyOp
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 \Z20fh2
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 yM:~{;HLF
下面我们可以对这几个问题进行分析。 t *
vg]Yc
5`'=Ko,N
五. 问题1:一致性 AH'4H."o/9
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?| 1 {x~iZa
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 q'F_j"
Xm:=jQn
struct holder eM=) >zl
{ '$h@
// 0j!ke1C&C
template < typename T > k>&s(b
T & operator ()( const T & r) const * \o$-6<
{ Di<J6xu
return (T & )r; t 9n
} j%Z{.>mJ
} ; cbCE
$
6!%d-Z7)
这样的话assignment也必须相应改动: ccn`f]5w
bI]UO)
template < typename Left, typename Right > 8#]7`o
class assignment $wYuH9(
{ 6"Lsui??
Left l; ?[S
>&Vq
Right r; AIl$qPKj&
public : Q;XHHk
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Stw+Dm\!
template < typename T2 > 7t-*L}~WA
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } g)9JO6]
} ; < [S1_2b.t
AZy~Q9Kc
同时,holder的operator=也需要改动: I,<>%Z|'
1R2o6`_
template < typename T > Lk`k>Nn)
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const !q-:rW?c
{ hr<7l
C
return assignment < holder, T > ( * this , t); uZ/7t(fy
} nI*(a:
+f\pk \Ith
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。 sm2p$3v
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 qX
p,d
hINnb7o
return l(rhs) = r; S:p.W=TAB
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 mo|PrLV
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 5mna7BCEb
h\=p=M
template < typename Tp > xH"W}-#[
class constant_t !bZhj3.
{ A]Q1&qM%
const Tp t; Q(=Vk~v
public : ol?z<53X]
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} l:zU_J6
template < typename T > /$FXg;h9$
const Tp & operator ()( const T & r) const FVsu8z u
{ >9o,S3
return t; FXOT+9bg
} bmj8WZ
} ; \~gA+o}Q
4V u'r?
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 A*7Io4e!
下面就可以修改holder的operator=了 L.09\1?.n
W{fULl
template < typename T > 9N~8s6Ob
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const -+3be(u
{ h1^9tz{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ,+ns
{ppn
} ;[{:'^n
9RG\UbX)^|
同时也要修改assignment的operator() vp\PYg;x
!
Q|J']|
template < typename T2 > JqI6k6~Q^
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } v!<PDw2'
现在代码看起来就很一致了。 hmK8jl<6
j+_S$T8w
六. 问题2:链式操作 \6`v.B&v
现在让我们来看看如何处理链式操作。 2
) TG
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。 $ZQlIJZ
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 M&uzOK+
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 GXOFk7>
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ps"/}u l
to99_2
template < typename T > {l0,T0
struct result_1 /]ku$.mr\
{ //\ds71h
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; \We"?1^
} ; 98ca[.ui
6#E]zmXO2
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: K#GXpj
|7rR99
template < typename T > P['X<Xt8
struct ref IXGW2z;
{ [ 3$.*
typedef T & reference; =E;=+eqt
} ; \e?.hmq
template < typename T > w) =eMdj\o
struct ref < T &> f!5F]qP>-
{ kx|me~I
typedef T & reference; 7d3'CQQ4
} ; '"oo;`g7
>?S\~Y
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: x Z|&/Ci
=y?#^
template < typename T > h6g=$8E
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const |n+#1_t%
{ |.1qy,|!X
return l(t) = r(t); 98BYtxa
} V3##
B}2[Y
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。 q&u$0XmV
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 qovQ9O
$ I#7dJ"*
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 `Jn,IDq
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: %/P=m-K
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 0;}Aj8Fle
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?sV[MsOsC
最后的布局是: Kn']n91m
Add bX7EO 8
/ \ Xa4GqV9M/-
Divide 5 FI\IY
R
/ \ '4$lL6ly>
_1 3 R"NGJu9
似乎一切都解决了?不。 >OT\~C
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。 LRWOBD
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。 j2M4H@
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: mRCHrw?WG
llNXQlP\B
template < typename Right > zCBplb
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const >W'j9+Va
Right & rt) const GOGt?iw*<
{ >&BrCu[u
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); !~kEtC
} ?RDO] I>
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Ru:n~77{
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。 KL
"Y!PN:
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。 3Q",9(D
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。 $)Wb#B
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。 )B81i!
q
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? d5Qd'
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: ` "B^{o
Y =9j2 ]t
template < class Action > 4K E)g
class picker : public Action UIn^_}jF`
{ ?gLAWz
public : =qw&dwIQ
picker( const Action & act) : Action(act) {} S9J5(lYv~N
// all the operator overloaded Y:wF5pp;
} ; Rxx>{+f4M
L.kD,'G}>
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。 yOc|*O=]U
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: Fqo&3+J4
J2'K?|,m
template < typename Right > QskUdzQ=
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const NS Np
{ > =Jsv
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); b7!UZu]IEv
} $R";
0rcjorWI
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ^PC\E}
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。 ~Yl<S(/4
P])L8zK
template < typename T > struct picker_maker s{ =5-:
{ +lKrj\Xj
typedef picker < constant_t < T > > result; +5-]iKh
} ; XoJgs$3B
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 8^y= H=
{ vb
%T7
typedef picker < T > result; ;,dkJ7M
} ; iOll WkF
[%jxf\9jJ_
下面总的结构就有了: FOSbe]
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 )
oxIzF
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 k Q~ %=pn
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 |#V(p^
至此链式操作完美实现。 ge$LIsE8
(`pNXQ0n
Ra0=q4vdk
七. 问题3 @89I#t6A.
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。 !y%+GwoW
:c=v}
template < typename T1, typename T2 > kxh 5}eB
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const /~*Cp9F"]
{ /1[gn8V691
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); g?V&mu
} Y9tV%
XCm\z9F
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: =-qf ;5[|
7b46t2W<
template < typename T1, typename T2 > y:,9I`aW
struct result_2 8?1o<8hV
{ Mn@$;\:
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; xg} ug[
} ; <BPRV> 0X
4>YU8/Rw
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ]~8v^A7u
这个差事就留给了holder自己。 U*qNix
sMm/4AY]
7@IFp~6<qK
template < int Order > EE]=f=3
class holder; .'/l'>
template <> b_=8!Q.:
class holder < 1 > 2e.N"eLNt
{ 6- ]h5L]
public : Gqt-_gga
template < typename T > O3Uh+gKQ
struct result_1 1ef'7a7e8
{ w;+ br
typedef T & result; AW/wI6[T
} ; /$:U$JVb?l
template < typename T1, typename T2 > z]$>+MH_
struct result_2 ?'wsIH]m
{ 4\6:\
typedef T1 & result; #Qd'+M
} ; k"
YHsn
template < typename T > !| xZ6KV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 4LsHs
{ KDD@%E
return (T & )r; @rwU 1T33
} xGRT"U(
template < typename T1, typename T2 > W2eAhz&
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ~@Kf2dHes
{ 7~b!4x|Z
return (T1 & )r1; !)c=1EX]"
} ],[)uTZc
} ; -CD\+d "
^i'y6J
template <> K%gP5>y*9>
class holder < 2 > XV=S)
{ etyCrQ
?U
public : :}9j^}"c3
template < typename T > M4?8xuC
struct result_1 gvyT-XI
{ >'`Sf ?+|
typedef T & result; *Hs*,}MS
} ; O@jqdJu
template < typename T1, typename T2 > JMlV@t7y<
struct result_2 n3ZAF'
{ iYKU[UP?
typedef T2 & result; `*yAiv>
} ; .X'<
D*
template < typename T > }fA;7GW+9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ?z=\Ye5x
{ @B`Md3$7
return (T & )r; P^[/Qi}j
} AmcC:5
template < typename T1, typename T2 > i8~$o:&HT
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \H4U8)l
{ ~HmxEk9
return (T2 & )r2; O>V(cmqE`
} -@M3Dwsi3
} ; 3.vgukkk5
GaBTj_3
DMZ`Sx
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> >。 MEq"}zrh
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: <m-.aK{9
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Y"!uU.=xJ
7petHi
return l(i, j) = r(i, j); 4o5i ."l
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) eko]H!Ov(
`#6x=24
return ( int & )i; U<Jt50O
return ( int & )j; w`gyE
6A
最后执行i = j; r,xmEj0E
可见,参数被正确的选择了。 E>pVn2|
fbC~WV#
;6m;M63 z
.Yx_:h=u
ZL_[4Y
八. 中期总结 6y
Wc1
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: (oaYF+T
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 6sB$<#
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 \%5MAQS
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor r]LCvsVa
%8FN0
ut&/\k=N
6 h'&6
)q3"t2-
v01#>,R
九. 简化 Q$a
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。 ^8K/xo-
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 H+l,)Se
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: kuKa8c
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 -BhTkoN)
+-*/&|^等 s@!$='|
2. 返回引用。 <KQ(c`KW7
=,各种复合赋值等 U7H9/<&o
3. 返回固定类型。 Qn=$8!Qqa
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ndi+xaQtG
4. 原样返回。 #ia;-
3
operator, #a,9B-X
5. 返回解引用的类型。 ({[,$dEa;
operator*(单目) #I%s3
6. 返回地址。 WY>Knp=
operator&(单目) M"wue*&
7. 下表访问返回类型。 yA;W/I4
operator[] YV([2
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 8_Z/ o5s
operator<<和operator>> g`?:=G:a*
X9XI;c;b-
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。 [,g~m9
例如针对第一条,我们实现一个policy类: g1|w? pI1
3M<!?%v\A
template < typename Left > ~V+l_:
struct value_return ctJ&URCi#
{ -t3i^&fj8
template < typename T > 3&*'6D
Tg
struct result_1 tZho)[1
{ ]J@/p:S>
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; P!<[U!<hH
} ; ,rO[mNk9@
Z[ZDQ o1
template < typename T1, typename T2 > g7V_[R(6
struct result_2 <B[G |FY,
{ m,tXE%l
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 7NF/]y4w
} ; l[YEKg
} ; C-SLjJw
5
9-!6;T
O#_x)13
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ([LIjaoi
b{&FuvQg