一. 什么是Lambda |3dIq=~1"Y
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 t6! B
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, tvR|!N }
rPkPQn:
^.u
J]k0
5@yBUwMSj
class filler >e^8fpgSo
{ x>[f+Tc
public : C3-I5q(V]
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} tr$d?
} ; Bs';!,=
n{E9p3i
=0_((eXwf
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: l(uV@_3
)@E'yHYO>
TQsTL2a
Z1sRLkR^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); l^;=0UR_
A}MF>.!}C
8
_|"+Ze
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 G^A }T3
<59G
^#&PTq>
j38>5DM6L
二. 战前分析 7da~+(yhr
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。 -MuKeCgi
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 ~5
e
1&
q|S,^0cU
f1X]zk(=W
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); U~_G *0
/* --------------------------------------------- */ =e|
vector < int *> vp( 10 ); %40+si3c
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); (&xIBF_6
/* --------------------------------------------- */ tN-B`d1
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 7-2,|(Xg
/* --------------------------------------------- */ <-N7Skkk!
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); &D#B"XI
/* --------------------------------------------- */ yYPFk
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); g{^(EZ,
/* --------------------------------------------- */ 4S*7*ak{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); <c]?
LhQidvCNJ
!y7w~UVs
EBx!q8zz
看了之后,我们可以思考一些问题: e*hCf5=-
1._1, _2是什么? e\WG-zi/
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。 W0s3nio
2._1 = 1是在做什么? -14~f)%NQ*
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。 m}GEx)Y D
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。 QR*{}`+l
^s6C']q *O
7^n{BsN
三. 动工 -A)/CFIZ
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: qY|NA)E)Bp
"<1-9CMl
Vo(V<2lw}
_NB8>v
template < typename T > 28=L9q
class assignment >|_B=<!99W
{ 6M X4h
T value; SS"Z>talw
public : h f9yK6
assignment( const T & v) : value(v) {} N3o
kN8d
template < typename T2 > {14sI*b16
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } [Ontip
} ; ~)%DiGW&
t0+D~F(g
^ Mw=!n[
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 '~OKt`SfIo
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment T8\%+3e.
#PZBh
kYU!6t1
xqLIs:*
class holder uoe>T:
{ '^~38=FA
public : mBWhC<kKs
template < typename T > <7yn :
assignment < T > operator = ( const T & t) const sZYTpZgW4L
{ vC _O!2E
return assignment < T > (t); g].v
} .Af H>)E
} ; #Q$`3rr
|
sZu1K
g0"KCX
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: ) kK" 1\m
Ps9YP B-
static holder _1; Wkc^?0p
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 VO+3@d:
["XS|"DM
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8,YxCm ie
而不用手动写一个函数对象。 E K#ib
f f_| 3G
$-;x8O]u
A3mS Sc6
四. 问题分析 \X0wr%I
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 b%M|R%)]
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 [Se0+\,&
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 }*R.>jQ+Y
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ;+4X<)y*>
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ?KtvXTy{m
?,Zc{
五. 问题1:一致性 {#J1D*?$"
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?| "RM vWuNt
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 >W?7a:#,
~[9(}UM
struct holder 70{fl
4J5
{ |,OTGZgc
// AlQ
template < typename T > B(U0 ~{7a
T & operator ()( const T & r) const @AAkEWo)_
{ 1PdxoRa4=
return (T & )r; Trwk9 +
} MtIhpTX
} ; ZeP3
Yjr3
z]F4Z'(e.
这样的话assignment也必须相应改动: 32ae? d
m=p<.%a
template < typename Left, typename Right > AC9#!#
OGB
class assignment mB]Y;R<
{ \J?5Kl[*c
Left l; >5}jM5$
Right r; Dt8wd,B
public : C*fSPdg?
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} @dp1bkU
template < typename T2 > 0A>Fl*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 7+^4v(s
} ; b1`(f"&l
4<QSot
同时,holder的operator=也需要改动: lg!{?xM
Pw_[{ LL
template < typename T > Je~d/,^WU
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ~ E|L4E
{ yNu%D$6u7
return assignment < holder, T > ( * this , t); J>Uzd,
/
} *^5..0du
L?(%
*
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 h2C1'+Q{9
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 0kB!EJ<OdG
,-[dr|.
return l(rhs) = r; "3Z<V8xB
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 Q&Ox\*sMK
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: *|DIG{
:g[G&Ds8
template < typename Tp >
zOnQ656
class constant_t Ug|o($CY
{ C5jR||
const Tp t; )wwQv2E
public : X[
o9^<
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} "x$RTuWA9
template < typename T > KGI0|Z]n~
const Tp & operator ()( const T & r) const 7VwLyy
{ P"WnU'+
return t; h.W;Dmf6]
} \PB ~6
} ; H21\6 GY
[ZP8[Zl'?
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 zu
Jl #3YP
下面就可以修改holder的operator=了 fjAJys)Q
GL_a`.=@
template < typename T > .h8%zB#|i
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const uoe5@j2
{ JyX7I,0
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); "wPFQXU
} (]mh}=:KDg
K$..#]\TM
同时也要修改assignment的operator() B R-(@
)2P4EEs[
template < typename T2 > 6QOdd6_d
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } y'<juaw
现在代码看起来就很一致了。 3=r8kh7,
n_n0Q}du
六. 问题2:链式操作 hC.7Z]
现在让我们来看看如何处理链式操作。 <E|K<}W#
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。 bTn7$EG
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 L:y}
L
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 syYg, G[
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Hop$w
<4W"ne28
template < typename T > AE)<ee%\\
struct result_1 U$`)|/8
{ >_biiW~x :
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; qK4E:dD
} ; %8T:r S
{daNw>TH
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: h
!~u9
O]n"aAu@
template < typename T > qYW{$K
struct ref =Po!\[SBU
{ Qj? G KO
typedef T & reference; IA|V^Wmt;
} ; pX]*&[X?
template < typename T > q($lL~Ls
struct ref < T &> +_?;%PKkuF
{ FV/X&u8~
typedef T & reference; N2VF_[l
} ; +OF(CcA^
zJ#e3o .
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 7"r7F#D=G
-P 5VE0
template < typename T > S#X$QD
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 2oAPJUPOJ
{ daaEN(
return l(t) = r(t); QY2!.a^q
} sa`7_KB
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。 $.}fL;BzVz
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ih?_ fW
+0=u]
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 EvMhNq~y5
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Oah}7!a)
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 S zOB{
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 :rb<mg[
最后的布局是: P sD+?
Add )@3ce'
/ \ QJo)
Divide 5 `OnN12`
/ \ xyx.1o
e!
_1 3 | zj$p~
似乎一切都解决了?不。 M"K$81
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。 cW,wN~
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。 *&B*/HAN
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: :x97^.eW~
bG>pm|/
template < typename Right > kF~}htv.=
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const qyc:;3?wm
Right & rt) const >.PLD} zE_
{ xkOyj`IS
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); o:#MP(h,N
} zp4Jd"XBX
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 e(BF=gesgp
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。 {so"xoA^c
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。 K/G|MT)
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。 /yIkHb^c
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。 /Z>#lMg\.
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? :9c
QK]O6
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: Mno4z/4{A
xrO:Y!C?
template < class Action > c\.4I4uy
class picker : public Action [dsH0 D&T
{ jh`&c{#*)M
public : G3 #c
picker( const Action & act) : Action(act) {} i}RxTmG<
// all the operator overloaded YmHn*N}:U
} ; L1.<LB^4'
/g'F +{v
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。 hH{&k>
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: ^MUtmzh
Ol"p^sqwj
template < typename Right > vN7a)s
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const aD3'gc,l
{ S8<O$^L^
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); R{@WlkG}
} hti)<#f
"VkraB.i
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > $t-HJ<!
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。 .BlGV 2@^#
T\b
e(@r
template < typename T > struct picker_maker 2#ha Icm"
{ ;hmy7M1%
typedef picker < constant_t < T > > result; fT/;TK>z>
} ; 2M=
gpy
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ,/|"0$p2x
{ Q9X_aB0
typedef picker < T > result; WU{G_Fqaz
} ; sBq @W4
qJVW :$1q
下面总的结构就有了: xc8MOm
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。 F^&_O*"
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。 6\g]Y
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。
zfO0+fMH
至此链式操作完美实现。 znFa4
MaXgy|yB1
+Ld4e]
七. 问题3 zhKb|SV
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。 [st4FaQ36
(m=-oQ&Ro
template < typename T1, typename T2 > MI!C%
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 0~R0)Q,
{ >Rjk d>K3
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); O@'/B" &
} CG@ LYN
F%lP<4Vx
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: X|7gj&1
]U! ?{~
template < typename T1, typename T2 > Bh"o{-$p8`
struct result_2 $=TFTSO
{ U=QV^I Qm
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; /{d7%Et6
} ; fZ]Y
>"{3lDyq-
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? Qy*`s
这个差事就留给了holder自己。 !CTchk<{(
I/<aY*R4
55Y BO$
template < int Order > {b"V7vn,
class holder; uYhm
F p
template <> {XC# -3O
class holder < 1 > bB->\
{ Aj;Z
&
public : !TVlsm
template < typename T > G 2+A`\]
struct result_1 zdzTJiY2[Z
{ 4H]Go~<
typedef T & result; Im+<oZ
} ; TPt<(-}W
template < typename T1, typename T2 > /^G1wz2
struct result_2 6OF&Q`*4
{ ib0M$Y1tIS
typedef T1 & result; `!kOyh:X
} ; CQW#o_\
template < typename T > {l%Of
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const GP<A v1
{ 81O`#DfZ
return (T & )r; 5yI_uQR
} 4)!aYvaER
template < typename T1, typename T2 > :,Q\!s!
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ly7\H3
{ "H" 4(3
return (T1 & )r1; ;x$,x-
} Jv %,v?
} ; \ty{KAc&
b<P9@h~:
template <> U
]`SM6
class holder < 2 > Waj6.PCFm
{ X&8&NkH
public : oa? bOm
template < typename T > <xKer<D
%
struct result_1 3~;LNi
{ -uIu-a]
typedef T & result; 3'}(:X(
} ; SS[jk
template < typename T1, typename T2 > aJ}y|+Cj
struct result_2 k(pI5N}pJZ
{ X+z!?W*a
typedef T2 & result; +)h *)
} ; 2w>WS#
template < typename T > @@"}i7
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const D>|m8-@]
{ $l@nk@
return (T & )r; e;GLPB
} 26.),a
template < typename T1, typename T2 > \1cay#X
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const rkugV&BhV
{ )y4bb^;z
return (T2 & )r2; ON.C%-T-
} 5R\{&
} ; "j;"\i0
b
R> G%*a
HQJ_:x
Y
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 h+<vWo}H
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: tgSl(.
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Anr''J&9`H
1O]'iS"
return l(i, j) = r(i, j); epuN~T
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) j*+[=X/
XP'<\
return ( int & )i; gBp,p\ Xc
return ( int & )j; D[32t0
最后执行i = j; |ZZl3l=]
可见,参数被正确的选择了。 _&)^a)Nu
NF8'O
}'L7< _
'APtY;x^{
bnHQvCO3$
八. 中期总结 :>4pH
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: ]CHO5'%,$
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 1BK!<}yI{
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 GOrDDp
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor tj$&89
tIn
dve
B( r~Nvc
go >*n\
b* k=
_/(DEF+G
九. 简化 ,' VT75
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。 w=Ai?u
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 4efIw<1_
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: $/*19e~
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 HYU-F_|N=
+-*/&|^等 %3b;`Oa
2. 返回引用。 T'_#Dwmj*
=,各种复合赋值等 =h5&:?X
3. 返回固定类型。 g~EN3~
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 7X
4/6]*
4. 原样返回。 s8BfOl-
operator, &CBW>*B
5. 返回解引用的类型。 cHo@F!{o=
operator*(单目) @uA=v/>+
6. 返回地址。 O?\UPNb:K
operator&(单目) j11FEE<W
7. 下表访问返回类型。 sNB*S{
operator[] vd<r}3i*
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 X!H[/b:1O
operator<<和operator>> @jh\yj rW
]JDKoA{S0
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 <14,xYpE
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ^4MRG6G
QAGR\~
template < typename Left > T:FaD V{
struct value_return )/4eT\ =
{ a(.q=W
template < typename T > &[
oW"Q{
struct result_1 1. A@5* Q
{ 'O>p@BEK
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type;
55O_b)$
} ; <MK4#I1I
+vf~s^
template < typename T1, typename T2 > ;OC~,?O5
struct result_2 oZ]^zzoEcg
{ v7-z<'?s~
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; wFbw3>'a9
} ; `-_kOxe3
} ; PFR64HK2
OVq(ulwi+
2/o_,k
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ^*?mb)
O q3aboAt
下面我们来剥离functor中的operator() D[jPz0
首先operator里面的代码全是下面的形式: \B/!}Tn;
zX]4DLl,
return l(t) op r(t) gvzBV
+3'
return l(t1, t2) op r(t1, t2) GN1Q\8)o
return op l(t) %Z~0vwY
return op l(t1, t2) &VPfI
return l(t) op (#e,tu
return l(t1, t2) op ,"en7
return l(t)[r(t)] K&"ZZFd_
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] itYTV?bd
cQzUR^oq,
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: $sILCn
单目: return f(l(t), r(t)); k'6x_
G
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); x*'2%3C~
双目: return f(l(t)); =w !>/#U
return f(l(t1, t2)); 9 AWFjoXl"
下面就是f的实现,以operator/为例 zrDcO~w
=Ju%3ptH0
struct meta_divide 5,_DM
{ JnE\z*NB
template < typename T1, typename T2 > y.>1r7
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) Z\[6'R4.#
{ 62.)fCQ^
return t1 / t2; S7B\mv
} ntr&