一. 什么是Lambda m*iSW]&
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 I
H#CaD
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, 0<4'pO.6Hq
p-(V2SP/)t
bYem0hzOe
@C[p? ak
class filler k^;/@:
{ jZmL7
V
public : e&ZH 1^O
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 1TfFWlf[B
} ; =Xid"$
Yg&/^
(yuOY/~k/
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: ,+OVRc
:wRfk*Ly
}LX!dDuwA
Si23w'T
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); wfu`(4
XrMw$_0)
KkzG#'I1
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。
zZ51jA9x
qJl DQc-
J%q)6&
"9Q_lVI|Q
二. 战前分析 E;4d lL`*
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 f0%'4t
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 YaQ5Z-c
Unt]=S3u
fo>_*6i74
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @J^
Oy 3z
/* --------------------------------------------- */ vF@|cTRR)
vector < int *> vp( 10 ); 9Ou}8a?m"
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); YFj#{C.
/* --------------------------------------------- */ ;F%EW`7
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 9[YnY~z)
/* --------------------------------------------- */ h;#^?v!+
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); (+zU!9}I1
/* --------------------------------------------- */ j3+ hsA/(k
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ;.$vDin6
/* --------------------------------------------- */ 4wEkxCWp/
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); V5
9Vf[i|
`s=Z{bw
0/z$W.!
;<0~^,Xm
看了之后,我们可以思考一些问题: "9*MSsU
1._1, _2是什么? `W1TqA
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 c;yp}k]\
2._1 = 1是在做什么? QiVKaBS8
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 +yk 0ez
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 e&[~}f?
\>j@!W
UIIsgNca
三. 动工 ]*)l_mut7
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: CSWA/#&8>
ZN'B@E=p
# M3d =
_|MK0'+f
template < typename T > [(8s\>T
class assignment <5FGL96
{ CL(D&8v8~
T value; C\bJ_vl;'
public : mB
bGj3u;
assignment( const T & v) : value(v) {} mL;oR4{
template < typename T2 > -Fop<q\b
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } o:as}7/^
} ; mmNn,>AO!
-J]N
&[
6Rg>h
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 1[a#blL6W
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment *9F{+)A
\qG` ts
CA$|3m9)NM
7fT_]H8
class holder 8 r0;054
{ o9]!*Y!RA
public : j/ARTaO1]"
template < typename T > -B7X;{
assignment < T > operator = ( const T & t) const Rp_ }_hL0
{ /;}o0
DYeW
return assignment < T > (t); v.,D,6qZ
} CzDg?w b
} ; 3|URlz
K[9P{0hA
>oAXS\Ts
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: SU~ljAF4
1dy"
static holder _1; z<.6jx@
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 N{Pa&/V
Te^_gdf
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [4PiQyr
而不用手动写一个函数对象。 ;_=dB[M
b0N7[M1Xl
+ul.P)1J6
(~PT(B?
四. 问题分析 mJVru0
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。 ]<_v;Q<t
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。 ZRa~miKyM
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 H]{`q
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 QT(]S>--n
下面我们可以对这几个问题进行分析。 {'?PGk%v
`n`HwDo;i
五. 问题1:一致性 1w 9zl}
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?| 7;sF0oB5e
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 sA,2gbW
`2G%&R,k"D
struct holder 4(8BWP~.y2
{ S^5Qhv
// StLbX?d 6
template < typename T > Dv=pX.Z+
T & operator ()( const T & r) const *OY
Nx4 k
{ [ofZ1hB4
return (T & )r; S$GWY^5}{
} )u=a+T
} ; (^)(#CxO
};>~P%u32
这样的话assignment也必须相应改动: <EuS6Pg
8;(3fSNC
template < typename Left, typename Right > ]_! .xx>
class assignment Lhxg5cd
{ &?APY9\.
Left l; *MXE>
Right r; Y0o{@)Y:
public : e1R<+`]
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} {"*gX&;~
template < typename T2 > (S63:q&g
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } VzuU0
} ; nS^,Sq\Ak
QM=Y}
同时,holder的operator=也需要改动: '#612iZo
A+"'8%o9}
template < typename T > 'u:J
"
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 8+&Da
{ D[K!xq
return assignment < holder, T > ( * this , t); edfb7prfTl
} mfgUf
lnrs4s Km
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。 =n_>7@9l
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 &^F'ME
-EWC3,3
return l(rhs) = r; 4FJA+
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。 )H*BTfmt
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: G;^,T/q47
2-@z-XKn
template < typename Tp > F@-8J?Hl:
class constant_t 4{ED~w|
{ mFuHZ)iQG
const Tp t; i[n3ILn
public : }^*m0`H
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} xyi4U(;
template < typename T > rCdTn+O2
const Tp & operator ()( const T & r) const ,y[w`Q\
{ Tl-Ix&37
return t; qo:t"x^
} _qSVYVJ u
} ; XlxM.;i0H
LP//\E_]
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 =5 $BR<'
下面就可以修改holder的operator=了 -dH]_
H :`H4S}
template < typename T > ?H21Ru>:*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const $gaGaB
{ F Xp_`9.zH
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); jlaC: (6
} 0$.;EGP
m=D9V-P
同时也要修改assignment的operator() cIXqnb
NPt3#k^bW
template < typename T2 > 6=jL2cqx
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } zkHyx[L
现在代码看起来就很一致了。 v2f|%i;tq
tjcG^m} _
六. 问题2:链式操作 {[r}gS%
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ZE6W"pbjU
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。 %ERR^
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。 V6r*fEhrT_
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。 )$QZ",&5
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct NxN~"bfh
Z"
dU$,n
template < typename T > ~{{@m]P
struct result_1 C9nCSbGMY{
{ l +#FoN
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ME'LZ"VT
} ; *30T$_PiX|
zB#.EW
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: 2%~+c|TH.)
sO8F0@%aH(
template < typename T > UZ7ukn-
struct ref 23P7%\
{ 3u1\zse
typedef T & reference; \&^U9=uq
} ; p)* x7~3e
template < typename T > OT}P0
~4s
struct ref < T &> ~Da-|FKa>
{ QT[4\)
typedef T & reference; G$6mtw6[M
} ; u'Z^|IVfo
88A,ll%
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: q$jwH]
.
opon"{
template < typename T > J''lOj(@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const \NQ[w7
{ kQO5sX$;
return l(t) = r(t); QzV%m0
} ZEG~ek=jM
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 hGU 3DKHT
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 XiAflO
lO8GnkLE
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 H8qWY"<Vd
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: )Xice=x9
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 OA&r8WK3
+5 调用divide的对象返回一个add对象。
(xMq(g
最后的布局是: !.w|+-JKO
Add =wFl(Q6J
/ \ #[sJKW
Divide 5 ,?VYrL
/ \ 8k?V&J `
_1 3 ;H"OZRQ
似乎一切都解决了?不。 4gn|zSe>^
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。
O]Q8&(
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 M~g@y$
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: {R7m qzt
92 1s'"
template < typename Right > cC TTjx{
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const
`6pz9j]
Right & rt) const K,H xe;-
{ ,gIeQ!+vy
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Xb1is\JB
} fTd":F
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 OTmr-l6
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。 Q*R9OF
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。 qex::Qf
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。 +Q+!#
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。 c"NGE
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? )wk9(|[o
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: hGo/Ve+@
H=*2A!O[_
template < class Action > nC#SnyUO
class picker : public Action {"\pMY'7
{ Fhs/<w-
public : _`xhP-,`S
picker( const Action & act) : Action(act) {} s~g]`/h$r
// all the operator overloaded UDHMNubB
} ; #kAk
d-QY6
?)e6:T(
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 'o1lJ?~kH
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: *N%)+-
tCQf `
template < typename Right > X'usd$[.
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const uo7[T*<Q
{ e(jD[q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); "_ON0._(/
} Ob|v$C
9zaSA,}
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > EP6@5PNZ
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 KZ|p_{0&
^-s`$lTp
template < typename T > struct picker_maker ;:P}s4p
{ 3+V.9TL'a
typedef picker < constant_t < T > > result; UZu.B!4
} ; .wkW<F7
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > p}q]GJ
{ vJ uL+'[i
typedef picker < T > result; T_<:
} ; p?x]|`M
%6TS_IpJ
下面总的结构就有了: #Z}YQ$g
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 U (A#}
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 O,0j+1?
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 lt#3&@<v
至此链式操作完美实现。 cd)}a_9
{$v>3FG
?cgb3^R'
七. 问题3 _sF
Ad`
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。 0#/Pc`zC
OdtS5:L
template < typename T1, typename T2 > I6[=tB
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const EKzYL#(i
{ i
[6oqZ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); .'S_9le
} &e5,\TQ
P(i
E"KH;
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: (+;%zh-
[<VyH.
template < typename T1, typename T2 > g HKA:j`c
struct result_2 kTo{W]9]
{ Q6fPqEX=
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; +$B#] ,
} ; $GIup5
1K[y)q
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? -7A2@g
这个差事就留给了holder自己。 laaoIL^
&u~%5;
- _BjzA|
template < int Order > .$ 5*v
class holder; <Sp>uhet1
template <> +=(@=PJ6
class holder < 1 > iL3k8:x
{ T0K*!j}O
public : 4,:)%KB"V
template < typename T > \w2X.2b.F
struct result_1 {e83 A/{
{ 4m6%HV8{}[
typedef T & result; '
y_2"
} ; =p#:v
template < typename T1, typename T2 > ie<m)
struct result_2 Vet<,;Te
{ GD#W=O
typedef T1 & result; dt(Lp_&v
} ; #YB3Ug]z
template < typename T > )!d_Td\-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const hr/|Fn+kA
{ _kQOax{c/
return (T & )r; >`+lEob
} qEnmms 1
template < typename T1, typename T2 > :47"c3J
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const O\^D
6\ v
{ x!A5j
$k0
return (T1 & )r1; E# *`u
} n$3w=9EX*
} ; 8PvO_Gz5
$TavvO%#
template <> 'o-J)+oa
class holder < 2 > UUxP4
{ 9,0}}3J
public : 5!7vD|6
template < typename T > }xytV5a^
struct result_1 61`tQFx,
{ "S3U]zw0_
typedef T & result; Xb7G!Hk#g
} ; :6}cczQE|O
template < typename T1, typename T2 > ^tl&FWF
struct result_2 1:Xg&4s
{ !4mAZF
b
typedef T2 & result; *+<H4.W
H
} ; GlaZZ,
template < typename T > #oEq)Vq>g|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ()yOK$"
{ <"x *ZT
return (T & )r; Owm2/
} k 1;Jkq~
template < typename T1, typename T2 > gOm%?sg
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \`WAG>'l5
{ n|!O .+\b
return (T2 & )r2; No(S#,vJ;
} 5
OF*PBZ
} ; q??N,
]d,#PF
R!7a;J}
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> >。 pOIfKd
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: P%Wl`NA P
首先 assignment::operator(int, int)被调用: t}Kzh`
??XtN.]7
return l(i, j) = r(i, j); wm/>_
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) K${CHKFf
u
%&4[zb
return ( int & )i; ~,reS:9RZ
return ( int & )j; {aWfD XB1
最后执行i = j; ~Ec@hz]js
可见,参数被正确的选择了。 tq5o
+yIO
xwu,<M
v`
ceNJXK
`/eh
八. 中期总结 K<7 Db4H
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: rYk
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 _ +A$6l
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 K@;ls
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor iuWw(dJk
o1@.
<Q+}
}7/Ob)O
?1lx8+
<N\#6m
/lN09j
九. 简化 EO\@#",a
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Fs1ms)
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 QNCG^ub
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ~n!7 ?4%U
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 {$^Lb4O[V
+-*/&|^等 Ix'GP7-m_
2. 返回引用。 ED
R*1!d
=,各种复合赋值等 >?0 f>I%\
3. 返回固定类型。 R3} Z"
各种逻辑/比较操作符(返回bool) qAR}D~ t
4. 原样返回。 cLCzLNyKl
operator, >rzpYc'~w
5. 返回解引用的类型。 [:C!g#o
operator*(单目) <