一. 什么是Lambda = ,E(!Sp
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 5]O LV1Xt
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, WaZ@
Fq\`1Ee{
%:8q7PN|
l8
2uK"M
class filler d=u%"36y
{ YdL1(|EdM
public : ,EJ [I^
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} DD{@lM\vc
} ; e+[J[<8
A.cZa
z_iyuLRdb
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: /iJhCB[QZ
j$ i8@]
HFCFEamBMP
FYE9&{]h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); !z6/.>QJ~
FO)nW:8]
LRlk9:QD>
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ^V;lZtZ
Ognq*[om
W&q5cz
,%DAh
二. 战前分析 dCJR,},\f
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。 >71w
#K
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 c3 ]^f6)?
aRb:.\ \zc
vWfef~}~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); =+#RyV
/* --------------------------------------------- */ +OuG!3+w
vector < int *> vp( 10 ); sn-+F%[
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :usBeho
/* --------------------------------------------- */ !urd
$Ta
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); [tw<TV"\
/* --------------------------------------------- */ N#-\JlJ)
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); tf}Q%)`f
/* --------------------------------------------- */ :zy'hu;
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); #3ro?w
/* --------------------------------------------- */ vT<wd#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); lkJ#$Ik&
Vy"^]5
G Z[5m[
x/q$RcDOm
看了之后,我们可以思考一些问题: jc.Uh9Kc
1._1, _2是什么? H;8]GE2n
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ^RDXX+
2._1 = 1是在做什么? OL+40 J
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 >qGR^yvb
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 cO?"
\$Qm2XKrK
g.VIe
三. 动工 #)eJz1~
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: T#;*I#A:
2Mi;}J1C{
z:,!yU c
*bC^X'
template < typename T > }^bL'
class assignment 3 AF]en
{ /XK`v=~(l{
T value; 4 sgwQ$m)
public : u:kY4T+Z
assignment( const T & v) : value(v) {} OmuZ0@.
template < typename T2 >
gMMd=
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } rKO*A7vE
} ; %QZ!Tb
Ln
-?/[E
~ab_+%
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 9
3I9`!e
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment $?Mz[X
Lj AIB(*
&_^<B7aC'k
W {/z-&
class holder FPFYH?;$
{ C)kQi2T
public :
F}4 0
template < typename T > x5Pt\/ow
assignment < T > operator = ( const T & t) const 6242qb
{ !`U<RlK7
return assignment < T > (t); &Rt]K
} k.Nu(j"z
} ; V1U[p3J-S
%dR./{txT
VO6y9X"
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: /pN2Jst
LX&P]{qKS
static holder _1; ^$
bhmJYT
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 / kGX 6hh
UL"3skV
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]997`,1b
而不用手动写一个函数对象。 K9Fnb6J$u
LK5H~FK
8{<cqYCR
1uQf}
四. 问题分析 H)+kN'J
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。 m%\[1|N
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。 JH;DVPX9z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 <\mc|p"
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 _Q}z 6+_\
下面我们可以对这几个问题进行分析。 |O2PcYNu
}d]8fHG
五. 问题1:一致性 jU~%5R
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?| []Ea0jYu
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 nd1*e
,~iAoxD5jY
struct holder 0G 1o3[F
{ ~` hcgCi%
// K),wAZI!7j
template < typename T > 21 j+c{O
T & operator ()( const T & r) const ;~;St>?\R\
{ g7F
Z -
return (T & )r; dfcG'+RU}
} #^V"=RbD
} ; DV"ri
yBiwYk6
这样的话assignment也必须相应改动: Nf'9]I
Q1[s{,
template < typename Left, typename Right > ?O?~|nI
class assignment [40 YoVlfM
{ FCPRg^=<!~
Left l; 'b,D;'v
Right r; c y$$}
public : r&DK> H
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} !:e
qPpz
template < typename T2 > 9U*vnLB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } M8 }M*\2
} ; <k5~z(
RJ44o>L4O
同时,holder的operator=也需要改动: i6kyfOI
20)Il:x
template < typename T > #!Fs[A5%
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ?J?!%Mw
{ e>)5j1
return assignment < holder, T > ( * this , t); eX@q'Zi
} Uo
,3 lMr
7 '/&mX>
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。 Hyg?as>}u
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 1gJ!!SHPo
<i|+p1t
return l(rhs) = r; 9=f'sqIPV
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。 Nj\WvKG
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: =x}/q4}L
`-\"p;Hp0
template < typename Tp > m+"%Jd{q
class constant_t jw[`\h}8
{ b1cd5
const Tp t; op C11c/
public : |M_Bbo@ud
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 48`<{|r{
template < typename T > 1<"kN^
const Tp & operator ()( const T & r) const
f7s.\
{ Dn?L
return t; 5P!17.W'u
} IM/\t!*7
} ; K~>kruO";
~^*tIIOX
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 th)jEK;Z
下面就可以修改holder的operator=了 {xX|5/z
z-j \S7F
template < typename T > `39U I7
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const O.dNhd$
{ /'(P{O>{j
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); E=d[pI,e
} HPQ ,tlp6j
@\R)k(F
同时也要修改assignment的operator() ^-_!:7TH]
(XH)1 -Z!
template < typename T2 > f@mM&e=f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } {UN z UaE
现在代码看起来就很一致了。 b4wJnmC8
7>LhXC
六. 问题2:链式操作 2H#vA
现在让我们来看看如何处理链式操作。 W8^gPW*c5
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。 g:g>;"B
O
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。 P+SCX#{y
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。 TBco
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct |D~MS`~qd5
Mi/_hzZ\
template < typename T > )C@,mgh
struct result_1 Nvi14,q/
{ 4C:YEX~
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Q8n?7JB
} ; ^9nM)[/C?
2,\uY}4
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: &g`a [#
pqK3u)
template < typename T > 0)NHjKP
struct ref l?q^j;{Dw
{ P
dJ*'@~i
typedef T & reference; ^:#%TCJ
} ; pLU>vQA
template < typename T > F\e'z
struct ref < T &> QbWD&8T0O
{ L[K_!^MZ
typedef T & reference; ){}#v&
} ; n7G$gLX
a_yV*N`D
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: KlPH.R3MPO
K02./ut-
template < typename T > 2gGJ:,RC$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const {e^llfj$#
{ Tla*V#:Ve
return l(t) = r(t); vBp5&*
} ?>_.~b~
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 -|lnJg4
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 zM!*r~*k$
Fi#t88+1
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 7qk61YBLz
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: X%dOkHarB
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 4*3vZ6lhu
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #/:[ho{JQ
最后的布局是: Rl~Tw9
Add 7~',q"4P/_
/ \ r0sd_@Oj
Divide 5 M3V[p9>
/ \ mNJB0B};m
_1 3 xR.Ql>
似乎一切都解决了?不。 mKg~8q 3
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。 pkoHi'}} $
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。 ^:],JN
k
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: P7o6B,9
F
;D_zo?
template < typename Right > 8C2t0u;Y
.
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const dM') <lF
Right & rt) const N%-nxbI\
{ [Y*UCFhI0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ubLLhf
} .28*vkH%C=
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 QWoEo
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。 L*Y}pO
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。 0kkiS3T
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。 _D:/?=y;e
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。 5v3B8 @CsA
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? efhwbn
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: |'.SOm9)*
)_jO8)jB
template < class Action > !CWqI)=
class picker : public Action Cw_<t
{ R[V%59#{Z
public : x.q%O1
picker( const Action & act) : Action(act) {} W%P&o}'
// all the operator overloaded $W09nz9?
} ; li{_biey}
y8L:nnSj
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 VltWY'\Wu;
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: [B4?Z-K%
d_`Ze.^
template < typename Right > 0jXIx2y
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Q6BWax|
{ -K0tK~%q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?`vb\K<5H;
} wFvilF
V
+k>v^sz
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 84{<]y
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ~`BOzP
Y/+ D4^L
template < typename T > struct picker_maker
p.%$
{ bHP-Z9riv
typedef picker < constant_t < T > > result; #0R;^#F/
} ; *0U(nCT&m
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > U +]ab
{ _:gV7>S?
typedef picker < T > result; 1pn167IQL
} ; AL;"S;8
rQWft r^
下面总的结构就有了: JUE>g8\b
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。 uPqPoI>N!
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。 w+}dm^X
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 'i,<j
s3\f
至此链式操作完美实现。 uYl ?Q
My
^pQ]@
e\h:==f
七. 问题3 ka'MF;!rc
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。 52"/Zr }j
Frml'Vfq7
template < typename T1, typename T2 > N*x gVj*
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ^;2L`U@5
{ }$o%^"[
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8(A:XQN"h
} 'Go'87+`
l>G#+#{
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ;)kBJ @
pZR^ HOq
template < typename T1, typename T2 > }'{(rU
struct result_2 |QY+vO7fxj
{ &M2x`
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; RBb@@k[v
} ; sq^,l6es>
A@#dv2JzP
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ?G{fF
H
这个差事就留给了holder自己。 b,'./{c0
?SpI^Wn)[
_ %P%~`?!
template < int Order > P8EGd}2{8
class holder; mZ5UaSG
template <> rS
jC/O&b
class holder < 1 > qEpBzQ&gX6
{ g&[g?L
public : 9\;EX
template < typename T > V *]!N
struct result_1 qM`SN4C
{ Vlf@T
typedef T & result; 5 909O
} ;
2AluH8X/
template < typename T1, typename T2 > ,s2.l/5r;C
struct result_2 XyI w5
9
{ A(uN=r@O
typedef T1 & result; <L`R!}
} ; OJK/>
template < typename T > +VeLd+Q}
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const crT[;w
{ qm '$R3g
return (T & )r; p?`N<ykF<
} ,Q:dAe[ZsX
template < typename T1, typename T2 > _#+9)*A
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const .{}t[U
{ 2 rH6ap
return (T1 & )r1; OU## A:gI
} nYe}d!
} ; |EApKxaKD
A~6 Cs
template <> F,W(H@ ~x
class holder < 2 > H^s SHj
{ WX[ycm8
public : 4S=lO?\"A
template < typename T > #Z.JOwi
struct result_1 kb6v2 ^8H
{ D9Z5g3s7R
typedef T & result; _&M>f? l
} ; `+6HHtF
template < typename T1, typename T2 > A gPg0(G
struct result_2 V+8+ 17^
{ w;_ Ds
typedef T2 & result; WS(c0c
} ; Xnh1pwDhe<
template < typename T > w5;EnI
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Z`%;bP:
{ Y}6)jzBV
return (T & )r; UvI!e4_
} pI!55w|
template < typename T1, typename T2 > )ad-s
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const w7C=R8^
{ H0HYb\TX ?
return (T2 & )r2; `3OGCy
}
Bb o*
} ; y6s$.93
,>^~u
]]7T5'.
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 HfF$>Z'kM
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: okv7@8U#p
首先 assignment::operator(int, int)被调用: $_VD@YlAp
~RJg.9V
return l(i, j) = r(i, j); BO_^3Me*
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) rQqtejcfx
dO@iq^9-
return ( int & )i; 9p.>L8
return ( int & )j; t0q@]
0B5
最后执行i = j; RoTT%c P_
可见,参数被正确的选择了。 )t4C*+9<U
phdN9<Z
c1^3lgPv
p
c],H
`#ztp)&
八. 中期总结 ~IXfID!8
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: jt3SA
[cy
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 j{=%~
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 2S;zze7)
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor p5KNqqZZ
U]acm\^Z
ZKvh]
#cs!`Ngb+
tu'M YY
l.BNe)1!22
九. 简化 DH^^$)
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。 [=Z{y8#:J
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 .>YJ95&\
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: ~I<y^]2{
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 4Y!v$r
+-*/&|^等 ;p9D2&
2. 返回引用。
]Oy<zU
=,各种复合赋值等 -O5m@rwt<
3. 返回固定类型。 KkY22_{ac
各种逻辑/比较操作符(返回bool) iH>djGhTh
4. 原样返回。 U*@_T 3N
operator, 7d)aDc*TjW
5. 返回解引用的类型。 *l//r
V?l
operator*(单目) F0\ry "(t
6. 返回地址。 dUZ&T