一. 什么是Lambda 9fsc>9
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 7H4kj7UK
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, y (=0
|7!B k$(vA
juxAyds
cG4}daK]d
class filler BRv#`
{ W >|'4y)
public :
!$<Kp6
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Y@+9Ukd/
} ; [YJ*zO
u\km_e
U@:l~xJ
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: <"av /`;
@.pr}S/
4I2#L+W
845\u&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); BL%3[JQ
kRH
D{6mol
,<[x9 "3\
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 !. :b}t
?i}wm`
o%K1!'
pE$*[IvQ'
二. 战前分析 _:JV-lM
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 <80M$a
g
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 K]
ML%JTx0+Z
lo36b zbT
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !"'@c
/* --------------------------------------------- */ #q8/=,3EG
vector < int *> vp( 10 ); ,QLy}=N
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); tR_DN
/* --------------------------------------------- */ o_ r{cnu
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); !ED,'d%J
/* --------------------------------------------- */ 5xa!L@)`wF
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); S4OOm[8
/* --------------------------------------------- */ WL3J>S_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Y>K8^GS
/* --------------------------------------------- */ nyOvB#f
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); w<Iq:3
y tTppmJF
~xc0Ky?8
~!_UDD
看了之后,我们可以思考一些问题: 'Y/8gD~.
1._1, _2是什么? .[Ny(X/]/}
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。 >Fc=F#tA9
2._1 = 1是在做什么? &+/$~@OK
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 Zm#,Ike?#
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 '@"A{mrE
RI BB*
+:u
&]
三. 动工 t`1~5#?Du(
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类:
oOGFg3X
u3HaWf3
Apkb!"}>
0- u,AD
template < typename T > CC]q\%y-_
class assignment #?~G\Ux0/
{ ,Uy~O(Ft
T value; Po.izE!C
public : zhU^~4F
assignment( const T & v) : value(v) {} g5
y*-t
template < typename T2 > o^u}(wZ{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } =E&1e;_xlE
} ; e(9K.3@{
mHNqzdaa
~~#/jULbV
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 C 6d#+
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ZV[-$
r1sA^2g.
XL(2Qk
tz2$j@!=
class holder F^Mt}`O
{ h\8bo=
public : <p[RhP
template < typename T > M*F`s&vM
assignment < T > operator = ( const T & t) const r6kQMFA
{ N
Q}5'
return assignment < T > (t); +sXnC\
} DMT2~mh
} ; 5gwEr170
ShOB"J-
QtOT'<2t]
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: RG-,<G`
ST\d-x
static holder _1; {tnhP^C3>
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 -i4hJC!3
Qq\hD@Z|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); U"K%ip:Wd
而不用手动写一个函数对象。 +b{tk=Q:
&>XSQB(&%
5%" 0
[O6JVXO>
四. 问题分析 "mcuF]7F
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ?)4c!3#
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Q>\9/DjUp
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 /-g%IeF
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ;AT~?o`n
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ts=+k/Z
Tg v]30F)
五. 问题1:一致性 wA6<BujD
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 3
FLht
L
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 2O`s'&.h
;zi4W1
struct holder _Tf0L<A'R
{ q_:B=w+bC
// 9tB:1n}
template < typename T > 'zQp64]F
T & operator ()( const T & r) const Y>K3.*.
{ q)]S:$?BT
return (T & )r; u~27\oj,
} =7zvp,B
} ; d'p@[1/
G3t\2E9S
这样的话assignment也必须相应改动: lUHpGr|U%
E\~!E20^
template < typename Left, typename Right > tEllkHyef
class assignment Q_A?p$%;L
{ It8@Cp.dU
Left l; &P>a
Right r; R?l={N=Wf
public : xx,|n
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} \05 n$.
template < typename T2 > Z'y:r2{ql
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } pg4jPuCM
} ; 1Gk'f?dw
QBTjiaYGa'
同时,holder的operator=也需要改动: Fpntd IU
X6o
iOs
template < typename T > :4S~}}N
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 5~xv"S(E}
{ 4+au6ABy
return assignment < holder, T > ( * this , t);
aP +)
} Evq^c5n>{
S{)'1J_0
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。 q6V\n:hKV
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 )}T0SGY
19^B610
return l(rhs) = r; I)f54AX
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。 liVj-*m
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: {i:Ayhq~&
FQikFy(YY
template < typename Tp > l1}HJmom
class constant_t ,F0bkNBG
{ m#t
const Tp t; r`d.Wy Zj
public : OeY+Yt0
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ?L6ACi`9
template < typename T > R>`TV(W`9
const Tp & operator ()( const T & r) const r!O4]j_3
{ ;O *o
return t; 7a'@NgiGg
} m*H6\on:
} ; (khMjFOg
{#uf#J|
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 kI#yW!
下面就可以修改holder的operator=了 y
;T=u(}
#6qLu
template < typename T > 2W=am_\0e.
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const |%7OI#t^
{ gX*i"Y#
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); "%{J$o
} #wZBWTj.
uHpSE?y/
同时也要修改assignment的operator() Ke,$3Yx
rTLo6wI
template < typename T2 > isV9nWo$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } u7ER
现在代码看起来就很一致了。 /km'#f)/
$eUJd Aetk
六. 问题2:链式操作 )l*6zn`z
现在让我们来看看如何处理链式操作。 YNWAef4
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 73'.TReK
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 99..]
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 'P<T,:z?
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct =;@?bTmqD
dFVm18
template < typename T > ,daZKxT
struct result_1 9x[|75}l
{ b>"=kN/
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; B3iU#
} ; s9}V nNr
!JVpR]lWS
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: dEM=U;
#u6ZCv7u
template < typename T > +b6kU{
struct ref 6?(vXPpT$
{ \Dn
an5H/
typedef T & reference; NHq*&xy
} ; Y'%k
G5nF
template < typename T > G/5]0]SO
struct ref < T &> =f{YwtG
{ {`CmE/`{
typedef T & reference; / qo`vk A
} ; [P?.(*
# ~T
KC|G
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 7e
D<(
ImVHX~qHJ
template < typename T > #-Nc1+gu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const mBZg(TY
{ |Y\BI^
return l(t) = r(t); 3"J85V%h]n
} 8]-c4zK
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。 -?&s6XA%#
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 5 NdIbC
WF0[/Y
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 A('_.J=
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: O*zF` 9
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 &fYV FRVkq
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 .kkrU
最后的布局是: wX*F'r"z
Add F-2&P:sjQ
/ \ ' Zmslijf
Divide 5 b#[7A
/ \ ~}fQ.F*7R
_1 3 q-)Ynp4'
似乎一切都解决了?不。 ~)&im.Q4
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。 N3}jLl/
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。 P_f^gB7
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: | &]04
my^2}>wi
template < typename Right > 5U+a{oA
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const B&oP0 jS
Right & rt) const d;9F2,k$w
{ G`"
9/FI7
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 96$qH{]Ap
} ,>Lj>g{~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 RRH[$jk
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。 9!06R-h
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。 ai,Nx:r
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。 nY[]k p@
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。 XLNR%)l
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? k^Q>
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: 4]$$ar)
8hx 3pvmk
template < class Action > Rg?m$$X`
class picker : public Action ~9KxvQzt
{ j[Xci<m
public : dW8M^A&
picker( const Action & act) : Action(act) {}
3l8k O
// all the operator overloaded :>'4@{'
} ; {a `#O9
{v>orP?
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。 D7"RZF\)
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: Htu}M8/4
oTqv$IzqP
template < typename Right > ADQ#qA,/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Q7-d]xJ^
{ O~WT$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;=[~2*8
} &:"[hU
m|5yET
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > bez_|fY{T
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。 $J]b+Bp
X^;LiwQv
template < typename T > struct picker_maker BCK0fk~
{ T+y3Ph--^
typedef picker < constant_t < T > > result; aA5rvP+
} ; ;%H/^b.c
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > K !MIA
{ |tkhsQ-;
typedef picker < T > result; *j0kb"#
} ; f4TNy^-
b\l +S2
下面总的结构就有了: sZ!/uN!6
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。 CI };$4W~
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 hnbF}AD
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 C/{tvY /o
至此链式操作完美实现。 L,B#%t
aF~ 0\XC
{IlX@qWr
七. 问题3 DWQ@]\
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 (K(6`~
`zJTVi4
template < typename T1, typename T2 > >sL"HyY#H
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const `V1D&}H+G
{ ATb[/=hP<R
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); lB0: 4cIj
} .jfkOt?2
_
IqUp Y
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: B.-1wZl
i!!1^DMrw
template < typename T1, typename T2 > N d"4*l;
struct result_2 85Hb~|0
{ lQolE P.pc
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; zu~E}
} ; LS=HX~5C
'L"dM9#>
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? &Jr~)o
这个差事就留给了holder自己。 }LaRa.3
Gg3cY{7
~HH#aXh*
template < int Order > ?1z." &
class holder; Y0||>LX
template <> Y GZX}-
class holder < 1 > FD&"k=p+X
{ l }i
.
public : S]7RGzFe
template < typename T > x[,HK{U|t
struct result_1 ];.H]TIc6
{ Xy>+r[$D:
typedef T & result; PV*U4aP
} ; O<1qU
M
template < typename T1, typename T2 > ~9OART='
struct result_2 $ 'B0ZL
{ *[(}rpp M
typedef T1 & result; y3 R+060\3
} ; XkWO -L
template < typename T > "Yo.]PU
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const pL{h1^O}
{ J 1?)z+t9~
return (T & )r; EMDsi2
} /idQfff
template < typename T1, typename T2 > ~
cKmf]
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const eJ+uP,$
{ }K!)Z}8
return (T1 & )r1; b-1cA1#_cP
} V'";u?h#S
} ; |g3a1El
eRK
kHd-
template <> [,Io!O
class holder < 2 > MVGznf?
{ 5/:BtlFx
public : VPB,8zb]
template < typename T > bN6FhKg|
struct result_1 cI9} YSk
{ ~v2E<S3
typedef T & result; +w
;2k w
} ; ;$Eg4uX
template < typename T1, typename T2 > @w)Vt$+b]
struct result_2 1CkBfK
{ 0i[,`>-Av
typedef T2 & result; /e^q>>z
} ; XNwZSW
template < typename T > .kl _F7
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ]*8K4n G
{ .Y8z3O
return (T & )r; cax]lO
} Ylc[ghx
template < typename T1, typename T2 > )F\tU
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const bp06xHMu
{ ohFUy}y
return (T2 & )r2; -I$qe Xy
} 6gLk?^.
} ; $nB4Ie!WcR
y{.s
4NT
%<|w:z$vp
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> >。 Jl-Lz03YG
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: GZ.Fq
首先 assignment::operator(int, int)被调用: U*.Wx0QM
c:SA#.
return l(i, j) = r(i, j); 6R%Ra
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) RJ ,a}w[9
0-ISOA&
return ( int & )i; #K|:BS
return ( int & )j; =K6aiP$Ft
最后执行i = j; [xF (t @p
可见,参数被正确的选择了。 qRXb9c
]-Z="YPY
_;]
3w
X~DI d
SjT8eH #
八. 中期总结 3d qj:4[f
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: ,k*g`OTW
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 l2)) StEm
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 WUQlAsme
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor YQyf:xJ
~kdxJP"
5]/i[T_
bk@F/KqL
~bSPtH
]6d
GA,6G [E
九. 简化 wf4?{H
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。 "XWrd[Df
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 CNCWxu
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: Cv@ZzILyoK
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 l.ri]e
+-*/&|^等 1epj/bB&