一. 什么是Lambda A\=:h AQ
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 5Wn6a$^
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, YKk%lZ.8
ln3.TR*
M]6=Rxq1:E
$H_4Y-xOi
class filler 9 /9,[ A
{ Tp9LBF
public : x[)S3UJ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} =P5SFMPN
} ; z\;kjI
2[WQq)\
K[ylyQ1
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: p,xM7V"O)
Sm-nb*ZyC
s_RYYaM
(Q\w4?ci
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 7}nOF{RH]
1z8.wdWJ}
M14pg0Q
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 /1O6;'8He
+wQGC
,x_g|J _Y
<q_H 3|
二. 战前分析 (=p}b:Z
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。 *yt/
Dj
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 `RjcJ?r
H-I*;
N'^ 0:zK:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [V1gj9t=,
/* --------------------------------------------- */ YrB-;R1+
vector < int *> vp( 10 ); f(9w FT
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); h>\}-|Ek
/* --------------------------------------------- */ +|o-lb
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ysL8w"t
/* --------------------------------------------- */ hzPpw.
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); [t ^|l?
/* --------------------------------------------- */ `5>IvrzXrK
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); JhuKW>7
/* --------------------------------------------- */ ?lbX.+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); xNjA>S\]W5
L*FnFRhU
60hf)er
]H.+=V;1
看了之后,我们可以思考一些问题: y_J{+
1._1, _2是什么? TN l$P~X>
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 GifD>c |z
2._1 = 1是在做什么? ]bRu8kn
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 LxMOs Nv
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 gs9f2t
GF
k?Qf{u
gAR];(*
三. 动工 mTcLocx
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: y*zZ }>
<KJ18/
iPHMyxT+S
J_`.w
template < typename T > o2%"Luf<
class assignment uV;Z
{ sX@e1*YE_
T value; dLjT^ 9
public : "ebn0<cZ
assignment( const T & v) : value(v) {} F.AO
template < typename T2 > B [y1RI|9
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } '"I"D9;9
} ; O1/!)E!
@^`-VF
SqEO
]~
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 c-gaK\u}j}
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ^B5Hjf9
'X`\vTxB
hI/p9
`w
GhQ.}@*
class holder k
9s3@S
{ V1(eebi|
public : NbgP,-
template < typename T > i3f/{D/
assignment < T > operator = ( const T & t) const `M\L6o
{ yQ&;#`!'
return assignment < T > (t); t6~|T_]
} s'/ug
} ; 64zO%F*
D4`7,JC}<
Av/|={i
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: .k[Ptx>
^QXUiXzl
static holder _1; Ph-3,cC
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 r}XD{F}"
E4 JS
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 'zRd?Z>%
而不用手动写一个函数对象。 w}7`Vas9
SU x\qz)
*6k
(xL
mQ1QJ_;
四. 问题分析 d{DlW
|_
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 [rGR1>U?i
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 s;$
eq);
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ! a1j c_
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Z73 ysn}
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ]>x674H
1q/z&@+B
五. 问题1:一致性 <f:b%Pm7
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?| AvH/Q_-b
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ZP?](RV>xg
pQW^lqwZ:6
struct holder hu6)GOZbv
{ |[xi"E\
// _Z 9I')
template < typename T > 8f#YUK
sW=
T & operator ()( const T & r) const b/E1v,/<
{ nEs l
return (T & )r; [_b10Z'{
} SkN^ytKE
} ; E6BW&Xp
y:pypuwt;
这样的话assignment也必须相应改动: Be?mIwc_g
,P5HR+h
template < typename Left, typename Right > -@AGQ+e
class assignment 6`%}s3Xq
{ +}z
T][9w
Left l; 8CMI\yk
Right r; QULrE+@
public : C%G-Ye|@
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} W5sVQ`S-
template < typename T2 > }8 ,b;Q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } !'n+0
} ; Qg1LT8
cj5pI?@e)
同时,holder的operator=也需要改动: :qw:)i
#16)7
template < typename T > vE{QN<6T
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const *FOTq'%i
{ 4oCnF+(
return assignment < holder, T > ( * this , t); x4fLe5xv
} NcqE)"yObo
ca$D|3
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。 {:fyz#>>^
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 -cJ(iz9!
Fa@#nY|UV3
return l(rhs) = r; &a1agi7M
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。 Ho*S>Y
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: b>;5#OQfn
QZ
h|6&yI
template < typename Tp > Z<xSU?J
class constant_t .viA +V
{ $eI[3{}X
const Tp t; FVL0K(V(
public : "xYMv"X
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} {}vW=
template < typename T > iZ)7%R?5
const Tp & operator ()( const T & r) const wG19NX(
{ 4W$53LP8
return t; |yw-H2k1
} %`%1W
MO
} ; 7dN]OUdi
D[yaAG<
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 W9.ZhpM
下面就可以修改holder的operator=了 vPpbm
qo4AQ}0 <
template < typename T > (z+[4l7
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const oM QH-\(}
{ Y`\zLX"_m
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); IjD:
hR@
} H=7dp%b"
`7+?1z
同时也要修改assignment的operator() 67Ge}6*2pd
YIt:_][*
template < typename T2 > mn4j#-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } h jWRU#
现在代码看起来就很一致了。 pLrNYo*d
S\GG(#b!
六. 问题2:链式操作 h4!$,%"''
现在让我们来看看如何处理链式操作。 90teXxg=|
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 {/ZB>l@D>8
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。
PDM>6U
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Q
>)?_O(
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 1*G7Uh@K}
T3wR0,
template < typename T > @^#y23R U
struct result_1 u.$.RkNMQ
{ Eq'YtqU
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Y"G$^3% (]
} ; ! X*L<)=nh
rDm>Rm=
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: cb|`)"<HN
K)@]vw/\
template < typename T > .r[J} O"
struct ref LlnIn{C
{ 6R dfF$f
typedef T & reference; ()3+!};
} ; T\. 8og
template < typename T > E=HS'XKu[K
struct ref < T &> }MuXN<DDb
{ v#=WdaNz
typedef T & reference; Mp"] =
} ; Ypha{d
A]Q4fD1q
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: nr-VzF7zu
!>gc!8Y'o
template < typename T > +xFtGF)
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const OjyS
?YY)b
{ 5#q
^lL
return l(t) = r(t); GsE?<3
} |LiFX5!\
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。 s^js}9]p
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 9]7+fu
7q$9\RR5
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 Ay"x<JB{U2
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: (Q#ArMMORI
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 vWjK[5
M%
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 OlMCF.W#3
最后的布局是: AY,6Ddw
Add 1QjrL@$>15
/ \ *E+)mB"~
Divide 5 CDoZv""
/ \ UU$ +DL
_1 3 plb'EP>e
似乎一切都解决了?不。 mS!/>.1[
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。 +~8/7V22
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。 YWd:Ok0
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: D;d'ss;
f5mk\^
template < typename Right > ,7>_Lp_v
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const _mA[^G=gY
Right & rt) const ~'v^__8
{ {RwwSqJ
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); S#2'Jw
} ~sMn/T*fv
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 VO. Y\8/
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。 Ya304Pjd
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。 DCP"
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。 hFylQfd
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。 "R4~
8 r
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? $N:m
9R
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: 8Bo'0
nLdI>c9R
template < class Action > @fbvu_-].
class picker : public Action r{p?aG
{ BYNOgB1
public : /0Zwgxt4?7
picker( const Action & act) : Action(act) {} q\d'}:kfu
// all the operator overloaded &'T7 ~M:
} ; ++Az~{W7
gaTI:SKzc
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 78y4nRQ*
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: \A keC 6[D
E2!;W8M
template < typename Right > }^)M)8zS
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const WoesE:NiR
{ `'+[Y;s_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); z$%ntN#eNA
} F RS@-P
YC*S;q
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > q^O{LGN
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。 ]5rEwPB
DV{Qbe#In
template < typename T > struct picker_maker EC?!%iO`
{ sL+/Eeb` c
typedef picker < constant_t < T > > result; /!jn$4fd:
} ; S WYiI
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > nVs0$?}
{ "4n_MV>p
typedef picker < T > result; kw}J~f2
} ; dwB-WF%k
JF24~Q4P
下面总的结构就有了: J|,| *t
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。 cnhYrX^
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。 5FH#)
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Q9FY.KUM
至此链式操作完美实现。 -L1{0{Z
;Q?
Qwda
N ?0V0B
七. 问题3 )v0m7Lv#/
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。 A%%WPBk{O
ExY
~.
template < typename T1, typename T2 > zF\k*B
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const wzP>Cq
{ !oM1
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); }3M\&}=8
} V&)-u(s_S/
]U'KYrh
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: DQKhR sC
LD]XN'?"W
template < typename T1, typename T2 > J&{E
struct result_2 Ur]5AJ
{ %J2u+K
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; YX@[z
5*
} ; *<s|WLMG
/38^N|/Zr
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? pkBmAJb@
这个差事就留给了holder自己。 L[##w?Xf.
'1/uf;OXIH
(Cqhk:F
template < int Order > NWv1g{M
class holder; :;)K>g,b
template <> LT#*nr
class holder < 1 > .* VZY
{ 5
EDGl
public : *.W![%Be
template < typename T > A4 o'EQ?~
struct result_1 LUw0MW(Moi
{ ~{RXc+
typedef T & result; L[Tr"BW
} ; !XzRV?Ih;
template < typename T1, typename T2 > }|AUV
struct result_2 %'k^aqFL
{ M(I 2M
typedef T1 & result; 3 LoB-4u?
} ; 80
i<Ij8J
template < typename T > ndW??wiM
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 9M<qk si
{ ]NG`MZ
return (T & )r; W@#)8];>
} <_ddGg~
template < typename T1, typename T2 > <|s|6C
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const vMj"%
{ K`PF|=z
return (T1 & )r1; nwHi3ojD:
} Xxp<qIEm
} ; 3%!d&j>v
k +&LOb7
template <> r5tv9#4]
class holder < 2 > Ba6''?;G
{ V= !!;KR0
public : y`7BR?l
template < typename T > 4~DFtWbf
struct result_1 ^hRos
{ lUUeM\
typedef T & result; >/ W:*^g)
} ; 0rjxWPc
template < typename T1, typename T2 > 7 45Uo'
struct result_2 JX`+b
{ q<D'"7#.
typedef T2 & result; ![{> f6{J
} ; N3 07lGb
template < typename T > :74)nbS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const I[@}+p0
{ N[z7<$$
return (T & )r; /
~w\Npf0
} 5e6]v2 k
template < typename T1, typename T2 > IF$f^$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const $IUT5Gia`
{ yzgDdAM
return (T2 & )r2; O-}{%)[ F
} d7N}-nsB
} ; b P4R
]k
"
j
!T#~.QP4
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ,*}SfCon
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: _Cj u C`7
首先 assignment::operator(int, int)被调用: AQQeLdTq
s(r(! FZ
return l(i, j) = r(i, j); ]fnc.^{
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) o!gl
:izb
=K-B
I
return ( int & )i; BC9rsb
return ( int & )j; <Gr{h>b
最后执行i = j; Qt+ K,LY
可见,参数被正确的选择了。 -|"mB"Dc
q}U^H
1|q$Wn:*
)$]_;JFr
uIiE,.Uu}
八. 中期总结 gH(,>}{^K
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: K8ecSs}}J
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 b'3w.%^
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 'Oyz/P(p
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor E#Smi507p
0x4p!5
$*\[I{Zau}
v\'Eo*4
Pp*|EW 1
WIa4!\Ky!
九. 简化 `h+ sSIko
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。 !X
e
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 pGc_Klq
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: %J5zfNe)&
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ^%VMp>s
+-*/&|^等 4ac2^`
2. 返回引用。 FI`][&]V
=,各种复合赋值等 J/:9;{R
3. 返回固定类型。 Pa'g=-
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Rs$k3
4. 原样返回。 *&Np;^~
operator, 4nN%5c~=
5. 返回解引用的类型。 9r+]V=
operator*(单目) 3<88j&9
6. 返回地址。 KnaQhZ
operator&(单目) 1
`hj]@.]
7. 下表访问返回类型。 /EZF5_`bT
operator[] MN}@EQvW==
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 &}_E~jKK
operator<<和operator>> }S\ \"SBC
}Dc0 Y
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。 sk5h_[tK
例如针对第一条,我们实现一个policy类: {0 IEizQ|i
h# c.HtVE
template < typename Left > ,edX;`#
struct value_return )hGRq'WA=
{ wf)T-]e
template < typename T > Eaf6rjD
struct result_1 R^.E";/h
{ k|(uIU* ]
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; lfba
} ; 6",S$3q
f02<u
template < typename T1, typename T2 > K;a]+9C
struct result_2 8J-$+ ;
{ :G=N|3
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 0,a\vs%@X
} ; 2MS1<VKZ@
} ; t:B~P,r
Rf||(KC<
7s+3^'
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait +&6R(7XC
hsr,a{B%$
下面我们来剥离functor中的operator() LmE%`qNg
首先operator里面的代码全是下面的形式: 2Dgulx5kGZ
]:uJ&xUar