一. 什么是Lambda 5jx{O${u
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 /xrt,M@
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, IK~ur\3
z_A%>E4
WYEvW<Hv
3i35F.=X,
class filler ^]E| >~\
{ /*rMveT
public : oDKgW?x
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} #z~D1Zl
} ; .(1=iL_3e
<C${1FO7If
?G!^|^S*
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: nez5z:7F
g.F{yX]
F^A1'J
tet
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); "TN}=^A\F
,,fLK1
Rg0\Ng4|G
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 JK,#dA#
RR`?o\
yU .B(|
~@itZ,d\
二. 战前分析 -#rFCfPy^
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。 &W.tjqmw
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 1(On.Y=
&S3szhe
@H7dQ,%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); DU}q4u@)
/* --------------------------------------------- */ !X[lNtO
vector < int *> vp( 10 ); IO v4Zx<)
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); p)TH^87
/* --------------------------------------------- */ !ZSC"
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); c{FvMV2em
/* --------------------------------------------- */ !B-&I E?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); `DWzp5Ax
/* --------------------------------------------- */ P d*}0a~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); bs_I{bCu?
/* --------------------------------------------- */ Hb!Q}V+Kb8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 60X B
;&JMBn]J
M{O2O(
5
0~L(<
看了之后,我们可以思考一些问题: zg8m(=k'
1._1, _2是什么? NbkWy
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。 EWH'x$z_q
2._1 = 1是在做什么? 7J$ ^R6rh
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。 3@6f%Dyj
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。 @jwUH8g1
E.6^~'/
{
"$2
三. 动工 Kpj0IfC,10
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: @["Vzg!I6"
y}#bCRy~.A
$Fd9iJ!k
HQf[T@
template < typename T >
kQX,MP(
class assignment LR9dQ=fHS
{ T(ponLh
T value; `33h4G
public : ?P"ht
assignment( const T & v) : value(v) {} m;Sw`nw?
template < typename T2 > 3=;iC6
`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } W-Hw%bwN/q
} ; VZ_4B *D
F\Tlpp9
H+*o @0C\~
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 I:mJWe
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ]IyC
!t;$n!7<
QM;L>e-ZY
?bN8h)>QQ8
class holder 173/A=]
{ m[Zz(tL
public : siyJjE)}w
template < typename T > '<1T>|`/t
assignment < T > operator = ( const T & t) const >@ge[MuS
{ 1j0yON
return assignment < T > (t); yKfRwO[j
} ;=UrIA@y;=
} ; W P.6ea7k
[@>Kd`!'
RQ/X{<lQ)
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: <([o4%
u!{P{C
static holder _1; q;B-np?U
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 '1.T-.4>&
TS=p8@w}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 6Y}#vZ
而不用手动写一个函数对象。 2psLX
LZ\}Kgi(!T
qx`*]lX
:Q&8DC#]
四. 问题分析 J0|/g2%0
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。 q/%f2U%4:
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。 .&}}ro48
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 sfVtYIu
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8 wC3}U
下面我们可以对这几个问题进行分析。 LvW9kL+WiQ
(Ptv#LSUX
五. 问题1:一致性 ,gkxZ{Eh
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?| ,)oUdwR k
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 <=jE,6_|
t3U*rr|A
struct holder nC[L"%E|se
{ zL)m!:_
// na8A}\!<
template < typename T > \>9%=32u.
T & operator ()( const T & r) const
WnHf)(J`"
{ `wk#5[Y_
return (T & )r; fdp/cwd
} >cSc
} ; Dc BTW+
A")B<BK
这样的话assignment也必须相应改动: jOE b1
WERK JA
template < typename Left, typename Right > rxm!'.+
class assignment vco:6Ab$
{ X$%RJ3t e
Left l; ZH~m%sA
Right r; M@{GT/`Pf
public : X "1q$xwc
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Q[8L='E
template < typename T2 > n*bbmG1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } T7!a@
} ; hQl3F6-ud
qw"`NubX
同时,holder的operator=也需要改动: :5h&f
D!)'c(b
template < typename T > |!rD2T\Ef
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const dos$d3B4
{ _=4Dh/Dv
return assignment < holder, T > ( * this , t); R.>/%o
} E: XzX Fxx
3-LO
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ~u}[VP
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 wm@1jLjrQ
WWq)CwR
return l(rhs) = r; 0W]Wu[k
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 d [K56wbpx
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 9[$g;}w
bQ
template < typename Tp > (:E^} &A
class constant_t Jq?ai8
{ Ep?a1&b
const Tp t; qj/ 66ak
public : Ct"h.rD ]
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} B8[H><)o\y
template < typename T > jC;XY !d6
const Tp & operator ()( const T & r) const
^$rt|]
{ V^?+|8_(
return t; d![EnkyL;
} @@!t$dD
} ; )"j_NlO
VWbgusxJ
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 )`;?%N\
下面就可以修改holder的operator=了 M#
S:'WN
"$
u"Py
template < typename T > nQ/(*d
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 8!:4m"Y
{ 51&wH
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 1v,4[;{
} b4,yLVi<T
tEf-BV;\y
同时也要修改assignment的operator() 2R|2yAh
=\oNu&Q^
template < typename T2 > M|Z]B<_x
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } HHg=:>L z
现在代码看起来就很一致了。 MZ% P(5
{N7,=(-2=
六. 问题2:链式操作 ` LU&]NS3
现在让我们来看看如何处理链式操作。 t{x&|%u
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。 dd98vVj
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。 U
.e Urzu
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。 #(XP=PUj
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 3MkF
?i9LqHL
template < typename T > g($ y4~#
struct result_1 N2q'$o
{ nA%-<
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; MPM_/dn-
} ; UW)k]@L
|A5]hL
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: gqGl>=.m
9) mJo(
template < typename T > ,4EE9
?J
struct ref ydoCoD
w
{ u~a<Psp&|
typedef T & reference; 'nW:2(J
} ; R},mq&f5
template < typename T > ?vM{9!M
struct ref < T &> Hyc19|
{
W)j/[
typedef T & reference; 1gCp/m2r7
} ; ' 71D:%p
|bB..b
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: b\6w[52m
MUVp8!*@
template < typename T > s}/YcUK
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const OG}0{?
{ MPNBA1s
return l(t) = r(t); bha_bj
} %
sT=>\
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ^Z2%b>
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 qmJFXnf
%o*afd
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 >W 8!YOc
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: .XYSO
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 QeU>%qKT
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 BA
L!6
最后的布局是: W\FKAvS
Add WS2TOAya)
/ \ YwHnDVV+
Divide 5 q$U;\Mg)
/ \ K;S&91V)=
_1 3
%~$4[,=
似乎一切都解决了?不。 D|_}~T>;&
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。 DF9Br
D0{
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。 wk)gxn1A,
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: /m9t2,KB
PvKe|In(
template < typename Right > TC J\@|yw
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const .6
Right & rt) const Gvj@?62
{ ?Tb'J`MO
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Fda<cS]
} )lH?XpfTjm
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 5.5dB2w
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。 ilpg()
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。 N[zI@>x
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。 42Ql^ka
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。 $mp7IZE|
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? Lf7iOW9U3
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: ,]20I _
PP$Ig2Q
template < class Action > 1AA(qE
class picker : public Action 4!iS"QH?;^
{ i~k?k.t8
public : qdUlT*fw
picker( const Action & act) : Action(act) {} F'|,(P
// all the operator overloaded ^3AJYu
} ; -/7[_,
Tcr&{S&o
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。 j+Wgjf
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: (?q]E$
@
5C{X$7u
template < typename Right > 0.&gm@A~c$
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const yTbBYx9Bi
{ RwT.B+Onuy
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d|DIqT~{W
} H+_oK
]/
x"U/M?l
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 213D{#2
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。
s9O] tk
9-p d{Z~l
template < typename T > struct picker_maker pmHd1 Wub
{ QIo|t!7F
typedef picker < constant_t < T > > result; 7Zr jU{
} ; <%) :'0q&
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > u%v^(9z
{ s7df<dBC
typedef picker < T > result; h'T\gF E%
} ; UDuKG\_J<y
WDgp(Av!
下面总的结构就有了: 6o6!Ol
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。 h-!(O^M
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。 eYR/kZ%<
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 }L:LcM
至此链式操作完美实现。 1&wZJP=
t41\nTZr
ki}Uw#
七. 问题3 G|Q}.v
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。 F-_RL-hbN%
Rp. @
template < typename T1, typename T2 > Ia>qVM0
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ^JYR^X>_
{ t}NxD`8
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); r]8tl
} |(y6O5Y.
Rra(/j<rQ
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: nb?bx{M
4+l7v?:Pr
template < typename T1, typename T2 > @0B<b7Jv
struct result_2 Oi
l>bv8
{ l 4~'CLi
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; MY1
tYO
} ; u'?t'I
@A$%baH0
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Q"Q|]f*
这个差事就留给了holder自己。 ?V*>4A
MV=.(Zs
5dYIL`
template < int Order > &+%CC
class holder; Z<ke!H
template <> oJXZ}>>iT
class holder < 1 > tDIzn`$z
{ B-M|}T
public : jY ^ndr0;
template < typename T > ]1D>3
struct result_1 7W}~c/ %
{ 6jF~zI^
typedef T & result; kv `x
} ; 1F[;
)@
template < typename T1, typename T2 >
{n.g7S~
struct result_2 HjnHl-
{ -pkeEuwv{
typedef T1 & result; azOp53zR
} ; Q5 ohaxjF
template < typename T > !gJAK<]iW
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const R<JI
{ Hi.JL
return (T & )r; >@]E1Qfe
} ;'p0"\SV
template < typename T1, typename T2 > p'xj:bB
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const VFG)|Z
{ .@=d I
return (T1 & )r1;
:i:Zc~%
} wl(}F^:/`
} ; w8{deSdfP
;&:UxmTf
template <> yfP&Q<|
class holder < 2 > Ep0Aogp29
{ Y]P
$|JW):
public : y>wr $
template < typename T > QRt(?96
struct result_1 }14.u&4
{ ]G|@F
:
typedef T & result; "q]v2t
} ; u45e>F=
template < typename T1, typename T2 > qn4Dm ^
struct result_2 B=n]N+
{ 2.; OHQTE
typedef T2 & result; .l#Pmd!
} ; LJI&j \
template < typename T > I-;JDC?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const qD`')=
{ @6t3Us~/
return (T & )r; Zsf<)Vx
} /B}]{bcp$
template < typename T1, typename T2 > Fb-NG.Z#
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const LM*9b
{ CR,
Y%0vQ
return (T2 & )r2; a?+) K
} tK8\Ib J
} ; ?%;uR#4
Xwx;m/
X}p4yR7'
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> >。 uP+
j_is
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 'n>|jw)
首先 assignment::operator(int, int)被调用: %f:'A%'Qb
Dw.>4bA.
return l(i, j) = r(i, j); B5tJ|3!
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ZE}m\|$
nNQ\rO
return ( int & )i; J!yc9Q
return ( int & )j; TxxW/f9D
最后执行i = j; Ww8C![ ,
可见,参数被正确的选择了。 b<:s{f"t,
@?e;Jp9
lzxn} TO}
6E_YQbdy
iB]kn(2C
八. 中期总结 B /Dj2
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: c~$ipX
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 z{ymVd0#
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 %t<Y6*g
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor <v5toyA
EH,uX{`e
/~AwX8X
IM
+Dm
VN$#y4
@br%:Nt
九. 简化 L^ +0K}eD
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。 75^-93
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 jhg!K.A
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:
KJ(zLwQ:
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 6^ /C+zuX
+-*/&|^等 }n:-nB4
2. 返回引用。 tQwbIX-7/
=,各种复合赋值等 *DG*&Me
3. 返回固定类型。 nS4~1a
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ?V7[,I1?
4. 原样返回。 KTf!Pf?g
operator, {J99F
5. 返回解引用的类型。 8#kFS@
operator*(单目) ,t)mCgbcO
6. 返回地址。 Z?v9ub~%
operator&(单目) ? 4.W
_
7. 下表访问返回类型。 ?]P&3UU>0z
operator[] {/ty{
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 71)HxC[6vA
operator<<和operator>> 2;kab^iv'
,,{Uz)>'W6
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。 :uI}"Bp
例如针对第一条,我们实现一个policy类: jl7e6#zu
M5%xp.B
template < typename Left > wvUph[j}J
struct value_return <-lz_
{ `ZNjA},.
template < typename T > jj.yB#T
struct result_1 >,~JQ%1
{ xJO[pT v
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; G`)I _uO
} ; [&Qrk8EN
(Ojg~P4;&
template < typename T1, typename T2 > }4bwLO
struct result_2 kB~: HQf
{ XPY66VC&_
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; g5Hs= c5=\
} ; b LxV
} ; wS:323
!l$
lhxhAe
KUly"B
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait =B?uNo e
@&2T0UB
下面我们来剥离functor中的operator() !(o)*S
首先operator里面的代码全是下面的形式: >\>HRyt%
yV`!Fq 1k
return l(t) op r(t) @V<