一. 什么是Lambda ~Gmt,l!b
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~GX
]K H
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, )92(C
4H,c;g=!
p`A2^FS)
P (7Q8i'
class filler VpYD/Oj4;
{ r5UVBV8T
public : (0#$%US\
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} !~%DR~^`
} ; 4Eu'_>"a
z8'zH>
q78OP}
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: o+x!
(
gg rYf*
_eq$C=3Ta
#BcUE?K*N
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); C P&u
lEwQj[ k
`:~Wu/Ogr
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 GRYw_}Aa
w{dRf!b69
M&hNkJK*G
4v_Hh<%
二. 战前分析 ,aUbB8
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。 0fBwy/:
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 SPdEO3
hp/pm6
pO7OP"q1
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Z}0xK6
/* --------------------------------------------- */ gsEcvkj*
vector < int *> vp( 10 ); LFxk.-{=
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); \ +sa[jK
/* --------------------------------------------- */ ;A@DE@^5w
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); F.aG7
/* --------------------------------------------- */ N0^SWA|S
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); bri8o"
/* --------------------------------------------- */ +aEm]=3
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); $
-<(geI
/* --------------------------------------------- */ ^yc8is'`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); )4qspy3
0\Jeyb2dl
"|dhmV[;
?)(/SZC0
看了之后,我们可以思考一些问题: Or?c21un
1._1, _2是什么? )V>OND
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。 |hi,]D^Kc
2._1 = 1是在做什么? Kf[.@_TD<1
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。 G8__6v~
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。 T-STM"~%
DMsqTB`
!e<2o2~.
三. 动工 z8"1*V
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ReM]I<WuY
?t6wozib2
{*hvzS{1d
e~(e&4pb
template < typename T > A'~mJO/
class assignment [o(!/38"@=
{ 4XVwi<)
T value; 9#hp]0S6
public : |y0k}ed
assignment( const T & v) : value(v) {} tw<Oy^i
template < typename T2 > fUY05OMZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } /%,aX[
} ; s:xJ }Ll
6Sn&;ap
Z:AB(c
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 f'5
6IT
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment nt()UC`5
W<#!H e
<XDnAv0t
:NWIUN
class holder gfIS
{ Z&iW1
public : YuVlD/
template < typename T > ;8&/JS N M
assignment < T > operator = ( const T & t) const wzxV)1jT
{ #W8?E_iu
return assignment < T > (t); `@1e{?$
} LprGsqr:
} ; zY*~2|q,s
$,/E"G`
N3\RXXY
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: '-N5F
H?Sv6W.~
static holder _1; <>f;g"qS
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 O:rfDO
{j`8XWLZZN
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L;M@]
而不用手动写一个函数对象。 2!W[ff@~7
:tnW ivrwR
k\SqDmv
UNiK6h_%
四. 问题分析 S!$S'{f<
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。 y5aPs z
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。 pT~3<
,
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 H}G 9gi
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 :8/ 6dx@Y(
下面我们可以对这几个问题进行分析。 rX5"p!z
F|m &n&
五. 问题1:一致性 YCb|eS^u
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?| z(%tu
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 #7'k'(
~&ns?z>x
struct holder /E\04Bs
{ (*6 .-Xn
// a]5y
CBm
template < typename T > rf]z5;
T & operator ()( const T & r) const SYsO>`/ )
{ WH39=)D%u
return (T & )r; LdOme[C1
} *!
:j$n;
} ; gSwHPm%zn
8:S+*J[gSn
这样的话assignment也必须相应改动: .nVY" C&
c*zeO@AAn
template < typename Left, typename Right > 4t%Lo2v!X%
class assignment K2n#;fY %
{ DQ/rx`BG
Left l; u$5.GmKm
Right r; 9__Q-J
public : p8-$MF]]6
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} K$}K2w
template < typename T2 > $?z}yx$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } <=6F=u3PtU
} ; 1oiSmW\
"m6G;cv
同时,holder的operator=也需要改动: mDv<d =p!
@f|~$$k=
template < typename T > L..
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ~J~R.r/
{ ?F$ #t6Q
return assignment < holder, T > ( * this , t); T@P~A)>yo
} )OFN0'
#tsP
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。 Dmy=_j?ej
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 :~W(#T,$E
keD?#yY
return l(rhs) = r; ju;OQC~[L]
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。 II _CT=
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: XA>uCJf
rB]2qk`/'
template < typename Tp > ~rjK*_3/
class constant_t f9Xa}*
{ baTd;`Pn
const Tp t; lg
)xQV
public : WEG!;XZ
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} %rlqq*
template < typename T > SQU@JKi;g
const Tp & operator ()( const T & r) const ARnq~E@1
{ ^jS1g*nrN
return t; t(PA+~sIp
} rc>}3?o
} ; Tyaqa0
reYIF*
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 hMS:t(N{
下面就可以修改holder的operator=了 <liprUFsn
FxK!h.C.
template < typename T > 'ta&qp
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const b W/T}FND
{ 7 u Q +]d
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Syl 9j]
} |=VWE>g
Df2$2VU
同时也要修改assignment的operator() m*)jndXY
JS\]|~Gd
template < typename T2 > ,+OVRc
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } wK fq'W{
现在代码看起来就很一致了。 xqlnHf<G
&Y9%Y/Y
六. 问题2:链式操作 9)=bBQyr:
现在让我们来看看如何处理链式操作。 O#J7GbrHO
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。 %$)Sz[=
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。 KkzG#'I1
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。
zZ51jA9x
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct qJl DQc-
J%q)6&
template < typename T > "9Q_lVI|Q
struct result_1 0%HAa|L,,
{ KC9VQeSc
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Wq 1OYZ,
} ; YaQ5Z-c
d0%Wz5Np
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: m@D :t5
IvQuxs&a
template < typename T > qyy. &+
struct ref {A
,w%
{ &F[N$6:v
typedef T & reference; N(J#<;!yb
} ; '?NMQ
template < typename T > >XuPg(Ow
struct ref < T &> }9z$72;Qdq
{ u9c^YC BM
typedef T & reference; Q=[ IO,f
} ; HKOSS-`5
AhjCRYk+
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: g.8^ )u
=mcQe^M
template < typename T > *YQXxIIq
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Y37qjV
{ mdmJne.
return l(t) = r(t); vs$.i
} pxyFM@Z](
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。
}LEasj
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Lew
2Z
"_BWUY
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 , :KJ({wM
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: s6;ZaU
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 r@'~cF]m
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0f3>s>`M
最后的布局是: q/@r#
Add H#nJWe_9A
/ \ &!'R'{/?X
Divide 5 y6G6wk;
/ \ jzi^OI7
_1 3 Yyw3+3
似乎一切都解决了?不。 j#p3<V S4
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。 23bTCp.d
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。 A~0yMww:$
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: k"/}9[6:U5
x @9rc,by
template < typename Right > Lke!VS!P&
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 2*n~r
Right & rt) const Z%I 'sWOd
{ pOl6x iMx
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 7o*~zDh@fH
} /6 x[C
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 A&-2f]L
tl
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。 ,^v_gc
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。 =XSupM[T
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。 -B7X;{
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。 #&K}w0}k
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? &t6SI'
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: (CYQ>)a
E(*CEW.V*
template < class Action > v806f8
class picker : public Action \vL{f;2J
{ mv/Nz?
public : rC/z8m3z
picker( const Action & act) : Action(act) {} AuB BSk8($
// all the operator overloaded 00Ye
]j_
} ; 9r8bSV3`
=C)2DW J1
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。 e>uq/|.!
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: Wh%@
ojIGfQV
template < typename Right > "%rU1/@#
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const J~ z00p`E
{ ~qA\u5sB9@
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); o6:]Hvqjr
} ~sWXd~\
zrC1/%T
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Je K0><
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。 S\k(0Sv9D
fLkC|
template < typename T > struct picker_maker >#.du}t
{ [zCKJR
typedef picker < constant_t < T > > result; /(}YjeS
} ; `yRt?UQRS
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > rPifiLl A>
{ 1n>AN.nI
typedef picker < T > result; Q$yQ^ mG
} ; Qgo|\=
X#MC|Fzy@
下面总的结构就有了: uxW<Eh4H*
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 @.QuIm8,
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 QT(]S>--n
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 2>^jMln
至此链式操作完美实现。 ) .MV1@s
?,eq86-M
+\cG{n*
七. 问题3 1w 9zl}
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 @Ps1.
qFY>/fCP4
template < typename T1, typename T2 > {^R"V ,)
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~>3#c#[
{ PiNf;b^9
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); =cx_3gCr{
} R]S!PSoL
f Q2U|
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: S^5Qhv
LdX'V]ITh
template < typename T1, typename T2 > d}^hZ8k|
struct result_2 nc#} \
{ {-)I2GJav
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; FJ|JXH*
} ; Yjx4H
?Vi U%t8J5
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? bW^{I,b<F
这个差事就留给了holder自己。
X;dUlSi
<$`
^
;xu&%n[6@
template < int Order > #b;TjnC5{$
class holder; 9_%??@^>
template <> ?r.U5}PBI
class holder < 1 > <x:^w'V_b
{ H+N6VVnO
public : RJD(c#r$
template < typename T > ooN?x31
struct result_1 >#5jO9
{ mk3,ke8
typedef T & result; (S63:q&g
} ; VzuU0
template < typename T1, typename T2 > '=ydU+X
struct result_2 [5MV$)"!j
{ [85tZr]
typedef T1 & result; Cuom_+wV&
} ; $69d9g8-(!
template < typename T > &f/"ir[8i
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const U1=\ `)u;
{ |u^~Z-.
return (T & )r; :LTjV"f
} B5#>ieM*
template < typename T1, typename T2 > Y\9zjewc
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ?Pt*4NaT;
{ (ZD~Q_O-
return (T1 & )r1; %/%TR@/
} `_pVwa<@w
} ; e,@5`aYHM@
bxAHzOB(\
template <> @`rC2-V
class holder < 2 > W@vCMy!
{
4{D^ 4G
public : ?;
tz
template < typename T > M4L<u,\1s
struct result_1 -^$IjK-N
{ <
_<?p&
typedef T & result; \|R\pS}4
} ; o?wEX%
template < typename T1, typename T2 >
"lBYn 2W
struct result_2 T$o;PJc
{ /9
|BAQ:v;
typedef T2 & result; s[u*~A
} ; U%aDkC+M
template < typename T > :gx]zxK
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const i [2bz+Z?
{ :eR\0cn
return (T & )r; Qs8Rb ]%|
} b'(Hwc\ t
template < typename T1, typename T2 > ^J&}C
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ZtOv'nTD
{ 8}|!p>
return (T2 & )r2; l }]"X@&G
} [}?E,1Q3
} ; Lz`_&&6
"V<7X%LIX
_16r8r$V
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> >。 D#d
\1g
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 'TDp%s*;
首先 assignment::operator(int, int)被调用: L=kETJ:g
$`"$ZI6[
return l(i, j) = r(i, j); 8:"s3xaO3
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) X/A(8rvCr
fvZ[eJ
return ( int & )i; VI8/@A1Gv
return ( int & )j; vk|xYDD
最后执行i = j; Gs(;&fw
可见,参数被正确的选择了。 _?;74VWA
fI-f Gx
Eyg F,>.4
v=?/c-J*
7y=1\KW(
八. 中期总结 CjmF2[|
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: OBnvY2)Ri
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 uB+:sX-L
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 \-{2E
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor NnO%D^P]
u~1 ,88&U
.N Z
GBGna3
r5PZ=+F
x{$/|_
九. 简化 Kd7 Lpw1u]
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 \!Ap<
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 *4[P$k$7
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: J''lOj(@
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 \NQ[w7
+-*/&|^等 kQO5sX$;
2. 返回引用。 QzV%m0
=,各种复合赋值等 ZEG~ek=jM
3. 返回固定类型。 (T =u_oe
各种逻辑/比较操作符(返回bool) lO8GnkLE
4. 原样返回。 xgZ<.r
operator, [lE^0_+
5. 返回解引用的类型。 ]1|OQYG
operator*(单目)
(xMq(g
6. 返回地址。 !.w|+-JKO
operator&(单目) =wFl(Q6J
7. 下表访问返回类型。 #[sJKW
operator[] C@9K`N[*
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 "Q;Vy t
operator<<和operator>> e@g=wN"@
O]Q8&(
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。 M~g@y$
例如针对第一条,我们实现一个policy类: {R7m qzt
92 1s'"
template < typename Left > cC TTjx{
struct value_return >9X+\eg-
{ X9ec*x
template < typename T > 5YQJNP
struct result_1 lYy:A%yDT
{ @ [j%V ynf
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; C0H@
} ; <E7y:%L[Go
~!'T!g%C
template < typename T1, typename T2 > F-2Q3+7$
struct result_2 /D;cm
{ ^2"w5F
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; :<xf'.
} ; H=*2A!O[_
} ; { &pBy
,-1d2y
M0woJt[&
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait q`HK4~i,
__)"-\w-_(
下面我们来剥离functor中的operator() ,~XAV ;+
首先operator里面的代码全是下面的形式: G+K`FUNA
-8&P1jrI
return l(t) op r(t) , 4@C %
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 4YCuO%
return op l(t) j/hm)*\io
return op l(t1, t2) [m9=e-KS$Q
return l(t) op XknbcA|
return l(t1, t2) op NP$ D9#
return l(t)[r(t)] G:Nwi=vN
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] W
ZW:q
+(oExp(!
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: &}VVr
单目: return f(l(t), r(t)); ,/UuXX
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); ab*O7v
双目: return f(l(t)); W(PNw2
return f(l(t1, t2)); u\=yY.
下面就是f的实现,以operator/为例 &&te(DC\
pwo @
S"
struct meta_divide - 4B&