一. 什么是Lambda d^d+8R
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 4X5KrecNr
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, M[ ON2P;
^S W0+O
B{>x
4++p K;I
class filler =-/sB>-C
{ ;3+_aoY
public : bmO(tQS$5
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} r\FduyOXv
} ; DSK?7F$_oE
3(_:"?x A
,6SzW+L7
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: Ht|"91ZC5
:}-izd)/j
C~T*Wlk
ff
6x4t
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 3)hQT-)
3 5/ s\
9hjzOJPuga
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Zm6|aHx8v
+g_m|LF
7MQxW<0
b;5
M$
二. 战前分析 !1Nh`FN
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。 r(JP&
@
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 '~zi~Q7M
q2*1Gn9!j
$J#Z`%B^y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ,@\z{}~v
/* --------------------------------------------- */ e <+b?@}=B
vector < int *> vp( 10 ); -?NAA]P5c@
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); \s7/`
/* --------------------------------------------- */ /4KHf3Nr
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); &FWz7O>1
/* --------------------------------------------- */ DC0ON`
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ?*'0;K13
/* --------------------------------------------- */ K?>sP%m)
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 9(lcQuE9
/* --------------------------------------------- */ YI2x*t!
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); <7`U1DR=
4<Kxo\\S
M9?f`9
F:8@ ]tA&
看了之后,我们可以思考一些问题: Q+s2S>U{v
1._1, _2是什么? AOef1^S=
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。 ~vcua@
2._1 = 1是在做什么? ^0?ww&X
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。 v
,zD52
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。 15d'/f
-K/c~'%'*
f6 s .xQ
三. 动工 M"6J"s
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: *bUOd'vh
0bOT&Z^
ua,!kyS
#44}Snz
template < typename T > "bz]5c~
class assignment FcyFE~>2
{ "^wIixOH5
T value; ;7*T6~tv
public : yw{r:fy
assignment( const T & v) : value(v) {} ~zVe?(W
template < typename T2 > /#zs
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } oA3;P]~[
} ; *:ErZ UyQM
V=8npz
OxUc,%e9P
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 7MsJ*En
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment HubK
NDJP`FI
t:b}Mo0
aLlHR_
class holder @WiTh'w0
{ t<"%m)J
public : &"7+k5O
template < typename T > KY?ujeF
assignment < T > operator = ( const T & t) const fNBI!=
{ {7%(m|(
return assignment < T > (t); wCu!dxT|,
} rPt
} ; PsOq-
n%Oq"`w4
Q{CRy-ha
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: ppGWh
@FF80U4'
static holder _1; p{+F{e
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 8C@6
b4VK
f,ZJFb98
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .o]9
HbIk5
而不用手动写一个函数对象。 6C\WX(@4
dx+xs&
(-`PO]e48
(LJ7xoJ^
四. 问题分析 `ZT/lB`
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。 JP^\
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。 *Ea)b-
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Gte\=0Wr
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 i)$ySlEh
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ,C|{_4
z[K)0@8 6
五. 问题1:一致性 /IF?|71,m
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?| 2/\I/QkTs
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Mi\-
9-
YFW/
Fa\7
struct holder r! [Qpb-:
{ xzOn[.Fi
// 9$D}j"
template < typename T > fIJX5)D
T & operator ()( const T & r) const + R~!G
{ 5K-,k^T}
return (T & )r; *Uy;P>8
} Fk9]u^j
} ; f4&;l|R0a
|*M07Hc x
这样的话assignment也必须相应改动: 9e.$x%7j
& eqqgLz
template < typename Left, typename Right > w9n0p0xr<
class assignment T(Bcp^N
{ vP=H 2P
Left l; yr?X.Np
Right r; -*OL+
public : 1hzf+*g
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} z, FPhbFn
template < typename T2 > 1/&^~'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } J#jFX
F\
} ; 3Tp8t6*nL
<N>7.G
同时,holder的operator=也需要改动: @!}/$[hu1
A.h0 H]*Ma
template < typename T > DLD9
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const {Ppb ;
{ 7U^{xDg.b
return assignment < holder, T > ( * this , t); @Ae&1O;Zh
} oOaLD{g>
9c[bhGD?
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 53d`+an2
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 k'+y
d_ x
jW
return l(rhs) = r; MZxU)QW1
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 1$`|$V1
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: L\5:od[EP
/Ak\Q5O'3
template < typename Tp > <0? r#
}
class constant_t rY8(`a
{ Q
laoa)d#
const Tp t; 4bL? V^@7
public : 0C\cM92o
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} s,AJR
[
template < typename T > 2.]d~\
const Tp & operator ()( const T & r) const jbUg?4k!
{ (bpRX$is
return t; (ti!Y"e2
} o*2Mjd]r
} ; #p]V?
uy~$
:0o
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 A (p^Q
下面就可以修改holder的operator=了 :$gs7<z{rm
b5I 8jPj4c
template < typename T > _8-T?j**
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const [9j,5d&m
{ PgHmOs
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 7=Pj}x)
} j>l
Bjj=UtI
同时也要修改assignment的operator() ~)[pL(4
2oOos%0
template < typename T2 > IXlk1tHN4I
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } BE],PCpPr
现在代码看起来就很一致了。 uI&0/
l!W!Gz0to
六. 问题2:链式操作 (I(U23A~
现在让我们来看看如何处理链式操作。 _a|g
>
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。 ^)a:DKL
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!
a
O65^
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。 ;' |CSjco
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct !VsdKG)
+nim47
template < typename T > Xwjm T
struct result_1 2X*n93AQi
{ b?VByJl
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; {K}Dpy
} ; P}( c0/
a=x&sz\x
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: F9d6#~
"%S-(ue:
template < typename T > VUP.
\Vry
struct ref GoH.0eQ^
{ dm40qj
typedef T & reference; 5wE6 gRJ
} ; nh80"Ny5
template < typename T > 3)9e-@
struct ref < T &> %++S;#)~
{ Da!vGr
typedef T & reference; qs= i+
} ; gg8)oc+w
m7RyFnR2
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: .j"heYF)
^eefR5^_w
template < typename T > G#@#j]8
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const kmo#jITa`
{ ' V*}d
return l(t) = r(t); w7Mh8'P54
} |9Yx`_DF
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。 l-!"
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 KK]R@{ r
&5sPw^{,H
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 dM19;R@4
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: rc7c$3# X
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 =|dm#w_L"
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 vRD(* S9^
最后的布局是: VS>hi~j
Add o1b.a*SZ
/ \ 4>fj@X(3
Divide 5 g>'6"p;
/ \ H 8 66,]
_1 3 c,ct=m.|6A
似乎一切都解决了?不。 &B=z*m
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。 'J!Gip ,
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。 yB=R7E7
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: 2n2,MB
w40*vBz
template < typename Right > B|+%ExT7
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;~WoJlEK3
Right & rt) const B#.xs>{N
{ H4{7,n
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); K`ygW|?gt
} LWSy"Cs*
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 {{[@ X
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。 z|Xt'?9&n
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。 Z0D&ayzkh^
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。 T nyLVIP
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。 0}'/p N>
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? !U(KQ:j
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: K|6}g7&X
xG Y!r"[
template < class Action > e8egxm
class picker : public Action bNtOqhi
{ u:J4Az^!
public : 6W7,EIf
picker( const Action & act) : Action(act) {} >yqEXx5{
// all the operator overloaded #)#'^MZX
} ; 2t
HM"(cB(n`
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。 RU=g|TL
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: ^YfAsBs&
~x_(v,NW
template < typename Right > xlgT1b:6
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const N[O_}_
{ vp d!|/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); RC8-6s& ln
} s k~7"v{Y.
-XkjO$=!=
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > FT}^Fi7
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。 %$Q!'+YW
/BF7N3
template < typename T > struct picker_maker VeQ [A?pER
{ 1hV&/Qr
typedef picker < constant_t < T > > result; /w2IL7}
} ; x}d5Y
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > $[J\sokpY
{ YhAO
typedef picker < T > result; rEU1
VvE
} ; /jq"r-S"
irjHPuhcG
下面总的结构就有了: akHQ&+[j
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ]#q$i[Y
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。 Aqg$q* Y
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 CPP9=CoR37
至此链式操作完美实现。 SL^%Zh/~
c]z^(:_>
Ml+f3#HP
七. 问题3 OT)`)PZ"
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。 =U:]x'g(
R\$6_
template < typename T1, typename T2 > 40-/t*2Ly
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const WFS6N.Ap
{ %VXIiu[
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); dPgA~~
} y6s/S.
}:0HM8B7!
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: =umF C[.W
lb"T'}q
template < typename T1, typename T2 > \(5Bi3PA}
struct result_2 AJRiwP|H+
{ }2Im?Q
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 8-K4*(-dL
} ; >Wpd q( o
R9+f^o`W
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? Ag1nxV1M$
这个差事就留给了holder自己。 R~N%sn
*y>|
1'B=JyR~K
template < int Order > xelh!AtE
class holder; SBw'z(U
template <> _,- \;
class holder < 1 > [~Z#yEiW^
{ )MX%DQw
public : %U1HvmyK
template < typename T > Ja@?.gW
struct result_1 H@k$sZ.
{ ?C6`
typedef T & result; \OK}DhY#
} ; PKs$Q=Ol<|
template < typename T1, typename T2 > Me;Nn$'%
struct result_2 lPl JL`e
{ }yCgd 5+_
typedef T1 & result; i l%9j
} ; _b=})**
template < typename T > o%Qn%gaX
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const wo^1%:@/2
{ F#efs6{
return (T & )r; !}xRwkN
} D[Ld=e8t
template < typename T1, typename T2 > uQWd`7
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^^)\|kW?
{ gti=GmL(L
return (T1 & )r1; 6(HJYa
} L+)mZb&
} ; qZSW5lC0
$,Y?qn/
template <> 9AQ2FD
class holder < 2 > Aq/wa6^%
{ WS$~o*Z8
public : =E8Kacu%
template < typename T > \<y#$:4r<8
struct result_1 z&[[4[
{ D/WzYc2h]
typedef T & result; @jD19=
} ; j7HOh|q
template < typename T1, typename T2 > "QY~V{u5
struct result_2 jH4Wu`r;m
{ 9p"';*{=
typedef T2 & result; 'wTJX>
} ; WF<*rl
template < typename T > +Nka,C^O"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;!>>C0s"
{ /3~}= b
return (T & )r; V0:db
} VU|Cct&)
template < typename T1, typename T2 > e?-LB
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const G@S'_
{ 11yS2D
return (T2 & )r2; u+8?'ZT,
} 2l4`h)_q
} ; Al]z=
k:zGv
+;;pM[U
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 m^,3jssdA
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: wijY]$
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 1)
G6
.s@[-!
p
return l(i, j) = r(i, j); rHgrCMW
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 9'JkLgz;d+
DzCb'#
return ( int & )i; ymyk.#Z<%
return ( int & )j; !^A t{[U
最后执行i = j; 2O9OEZdKB
可见,参数被正确的选择了。 ,1e@Y~eZ
>(a/K2$*1
HLM"dmI
= G3A}
y|Zj
M
八. 中期总结 9L9mi<,
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: <i1P ~
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 q0
8
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 [x|{VJ(h
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor &,`P%a&k
Aaix?
|XN
OAz-w
h%@#jvh?4
vweD{\b
=").W \,
九. 简化 eM`"$xc
Oe
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。 aA.TlG@zP
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 y<5xlN(+v
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: uM~j
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 #/`V.jXt>
+-*/&|^等 M3
$MgsN:
2. 返回引用。 LHP?!rO0
=,各种复合赋值等 $rE_rZ+]="
3. 返回固定类型。 1YMu\(
各种逻辑/比较操作符(返回bool) x;*KRO
4. 原样返回。 Ss7XjWP.}
operator, *,DBRJ_*7
5. 返回解引用的类型。 !b+Kasss9
operator*(单目) D<cHa |
6. 返回地址。 V]9?9-r
operator&(单目) Djf,#&j!3
7. 下表访问返回类型。 o,RLaS,BK'
operator[] ffYiu4$m
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Au/n|15->C
operator<<和operator>> 1%6}m`3
CR$5'#11)
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 mWM!6"
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ZK]C!8\2|
|bz,cvlP
W
template < typename Left > ]={{$}8.
struct value_return +<H)DPG<
{ -.E<~(fad
template < typename T > hw&R.F
struct result_1 *l^%7Wrk
{ R#Bdfmldq
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ;=6~,k)
} ; 3J}bI{3
up7]Yy;o=
template < typename T1, typename T2 > L1k_AC1.M
struct result_2 <[7.+{qfW
{ f"5vpU^5*
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; [nlW}1)46
} ; QY<2i-A
} ; `D%bZ%25c
lU.@! rGbw
6^.<