一. 什么是Lambda F*(<`V
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 o^lKM?t
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, \N!k)6\
whD%Oz*f
fD
V:ueO
7kj#3(e
class filler sl`\g1<{`
{ )<!y_;$A
public : qQ^]z8g6P
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} <b{ApsRJf
} ; }yXa1#3
k(V#{
YP
S3.Pqp_<
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: #IgY'L
)5p0fw
qy.Mi{=~:
s% I)+|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 3d
\bB !
5{j1<4zxR
6 Rg{^E Rf
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 qd(`~a
<r_ldkZ
,US]
0f1*#8-6
二. 战前分析 XlR.Y~
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 1?Wk qQ
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ~%>ke
Q]66v$
3>c<E1
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); +Z/Pj_.o
/* --------------------------------------------- */ Pij*?qmeQ
vector < int *> vp( 10 ); qm]k
(/w
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Y}ITA=L7
/* --------------------------------------------- */ IJ[#$I+Z%
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); z[[|'02{
/* --------------------------------------------- */ 1dHN<xy
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); "Q-TLN5(
/* --------------------------------------------- */ c]#F^(-A`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ub7|'+5
/* --------------------------------------------- */ /+iU1m'(
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); U z[#t1*
4E<iIA\x
6[w_/X"
D O#4E<]5
看了之后,我们可以思考一些问题: I6X_DPY
1._1, _2是什么? m.Yj{u8zX
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。 &n91f
2._1 = 1是在做什么? c|IH|y
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。 Z!v)zH\
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。 gT?:zd=;
X\V1c$13CK
)jm}h7,
三. 动工 !S$LRm\'
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: <"X\~
7c5+8k3
jgK8} C
.\".}4qQ
template < typename T > 1T!(M"'Ij
class assignment tp7cc;0
{ vYcea
T value; NirG99kyo
public : |W:xbtPNy
assignment( const T & v) : value(v) {} JPRo<jt=
template < typename T2 > ZvM~]8m
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } MV'q_{J
} ; h3[^uYe
f#FAi3
n&y'Mb
PB
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 >kU$bh.(
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment $oDc
?:H4Xd7
4$~eG"wu
{mr!E
class holder 6F
!B;D -Q
{ :
M=0o<
public : U["'>&B
template < typename T > (kCzz-_\
assignment < T > operator = ( const T & t) const w&8N6gA14
{ FhpS#,Y$
return assignment < T > (t); 1P;J%.{
} /g(WCKva
} ; ps[HvV"
t<h[Lb%{T4
{DlQTgP
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: Qqm'Yom%T
Dc-v`jZ@)
static holder _1; oG{0{%*@
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 lC|`DG-B
ObnQ,x(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); P'l'[Kz{'
而不用手动写一个函数对象。 4AW-'W
z_nv|5"
76epkiz;=
v'=$K[_
四. 问题分析 n-P<y
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 1u>[0<U~E
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ,yf2kU
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 )09>#!*
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 N5_`
下面我们可以对这几个问题进行分析。 wo>7^ZA
B6UTooj
五. 问题1:一致性 N(c`h
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| @ @uKOFA?
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 -j& A;G
^hZZ5(</8P
struct holder weX%S?
{ _?~EWT
// ,!
b9
template < typename T > #w]UP#^io
T & operator ()( const T & r) const &"lSq2
{ kZ5;Fe\*
return (T & )r; <<WqL?8W
} =2XAQiUR\
} ; `s8*n(\h
}ZqnsLu[)
这样的话assignment也必须相应改动: b,h@.s
}jdMo83
template < typename Left, typename Right > @qUgp*+{
class assignment ~ p~
{ '<=77yDg
Left l; )>"|<h.2]
Right r; 10}<n_I
public : -8zdkm8k
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} d%,@,>>)
template < typename T2 > uE &/:+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Y'
FB
{
} ; zy'e|92aO
E5iNuJj=f
同时,holder的operator=也需要改动: -sqd?L.p
.o#A(3&n
template < typename T > _|jEuif
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ZX0#I W
{ @js`$
return assignment < holder, T > ( * this , t); SL[ EOz#
} n?(sn
zQ~N(Jj?h
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。 ~~r7TPq
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 GHWt3K:*w
@b&_xT
return l(rhs) = r; :@@aIFRv
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。 ]621Z1
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: (l+0*o,(
dD351!-
template < typename Tp > 0<FT=tKm
class constant_t PRal>s&f
{ j82x$I*
const Tp t; YQ|o0>
public : R :*1Y\o(
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} g|Tkl
template < typename T > */'j[uj
const Tp & operator ()( const T & r) const `c)[aP{vN
{ 9y}/ G
return t; )k[{re
}
MFyi#nq
} ; U6?3 z
`T,^os#6
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 .k -!/ ^
下面就可以修改holder的operator=了 VX:Kq<XwQ
w,*#z
template < typename T > &|fPskpy
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const XwZR
Kh\>=
{ vd9PB N
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); a)S{9q}%
} <5!)5+G
\_)[FC@
同时也要修改assignment的operator() Hkrh d
XUVBD;"f!
template < typename T2 > =d BK,/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } <:>[24LJ{
现在代码看起来就很一致了。 HDi_|{2^
1\aV4T
六. 问题2:链式操作 K BlJJH`z{
现在让我们来看看如何处理链式操作。 /$d#9Uv
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。 Y)68
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。 GY rUB59
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。 ly`\TnC
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct R$x(3eyx
KFBBqP
template < typename T > *X!+wK-+
struct result_1 Gvl,M\c9-
{ 4axuE]
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; t>vr3)W
} ; G0u
H6x?
1RauI0d*
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: BsR3$
_"t"orD6
template < typename T > |RH^|2:x9Q
struct ref j9/hZqo
{ siOyp]
typedef T & reference; b63DD(
} ; +h? Gps
template < typename T > ]u.)6{
struct ref < T &> ky{@*fg.
{ =d$m@rc0r
typedef T & reference; iU|X/>k?
} ; )TcD-Jr
^7Ebg5<
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: C:_-F3|]cJ
MKh}2B#S
template < typename T > &8dj*!4H
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 62o nMY
{ J u"/#@
return l(t) = r(t); [U,hb1Wi3
} s(:N>K5*
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。 (g>&ov(d
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 * $|9e
a|ZJzuqo
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 v2ab84
C*
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ,Vy_%f
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 lvG+9e3+
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 To;r#h
最后的布局是: 8w ]'U
Add 2]5ux!Lqln
/ \ G%dzJpC(
Divide 5 Z*Fn2I4
/ \ _=K\E0I.m
_1 3 ),@m
3wQ
似乎一切都解决了?不。 6 u,w
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。 cS>xT cj
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。 c3)6{
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: }-@h H(
fM3ZoH/
template < typename Right > RijFN.s
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const R=C+]
Right & rt) const g6H` uO
{ brdY97s4
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); n],"!>=+
} @Ll^ze&HI
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 \98|.EG
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。 {A\y4D@
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。 UAds$9
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 hM[I}$M&O
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。 1`9'.w+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? KkSv23In
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: h`D+NZtWm
in>?kbaG+
template < class Action > Np?/r}
class picker : public Action rW2l+:@c
{ -e.ygiK.`S
public : BAy)P1
picker( const Action & act) : Action(act) {} H284
]i
// all the operator overloaded AQs_(LR
} ; 8p]Krs:
)5x,-m@
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。 rs@qC>_C0
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: `jT1R!$3F
s-S|#5
template < typename Right > t x1(6V&l;
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const zLjQ,Lp.I
{ H,)2Ou-Wn
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5Y5N
} Zb2.o5#}
O/ZyWT
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > cN7|Zsc\
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ,Z(J; ~
t.]e8=dE
template < typename T > struct picker_maker dLw,dg
{ rk `]]
typedef picker < constant_t < T > > result; ]U.YbWe^
} ; *KPNWY9!W
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > eSSv8[u
{ !%'c$U2
typedef picker < T > result; FD^s5>"Y+
} ; 7.B]B,]
&Fl*,
下面总的结构就有了: okD7!)cr=
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。 y73@t$|
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 B3yp2tncj
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 !{4bC
至此链式操作完美实现。 &uxwz@RC0
ea!Znld]
R1\$}ep^
七. 问题3 3qq6X?y*
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ]|/\Sd
Z"a]AsG/Q#
template < typename T1, typename T2 > } mEsb?
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const @Ke3kLQ_\X
{ +7bV
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); m>-(c=3
} :_+Fe,h>|
O\zGN/!
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: fu7J{-<<R
0V?:5r<
template < typename T1, typename T2 > -_~T;cj6
struct result_2 t5
{ #'Lt_Yf!
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; =]F15:%Zq
} ; 44_CT?t<
.p(~/MnO
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ceGo:Aa<)
这个差事就留给了holder自己。 JS!
I)F3sS45}
[&p^h
template < int Order > x 0x/2re
class holder; } T1~fa
template <> ]0)=0pc]E
class holder < 1 > Q2ky|
{ oS_<;Fj
public : dtUt2r)6L;
template < typename T > k{j (Gb2sp
struct result_1 D3-H!TFpDb
{ |DMa2}%
typedef T & result; j%OnLTZ
} ; K~aIY0=<
template < typename T1, typename T2 > ^DS+O>
struct result_2 ;COZHj9b
{ &l NHNu[
typedef T1 & result; C!aK5rqhv
} ; 4).>b3OhX
template < typename T > ~F9WR5}]
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const x'wT%/hp
{ 3ws}E6\D
return (T & )r; ZCS{D
} 6s|4'!
template < typename T1, typename T2 > (@1*-4l
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const hh>mX6A
{ ckPI^0A!
return (T1 & )r1; *$o{+YP
} xYCX}bksh
} ; NHL{.8L{
['rqz1DL5
template <> y #Xq@
class holder < 2 > |lhVk\X
{ GS4
HYF
public : ce\ F~8y
template < typename T > \Q<Ur&J]%
struct result_1 0 SeDBs
{ , *A',
typedef T & result; 0qrsf!
} ; *PJg~F%
template < typename T1, typename T2 > 79 ZBVe(}
struct result_2 QcDWVM'v
{ T5+iX`#M
typedef T2 & result; l ,T*b
} ; YaDr.?
template < typename T > $!_]mz6*
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ,
1{)B
{ uM9[
return (T & )r; '9MtIcNb
} ,pz^8NJAI
template < typename T1, typename T2 > <H)I06];
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const x\Det$3Kx
{ r{gJ[%
return (T2 & )r2; 6{r^3Hz
} N{<=s]I%x
} ; s]=s|
d8? }69:h
1wpeYn7>W
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 duKR;5:
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: jWd 7 >1R?
首先 assignment::operator(int, int)被调用: L27i_4E,
007SA6xq
return l(i, j) = r(i, j); HV??B :
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) )MKzAAt~
;hOrLy&O
return ( int & )i; &T8prE?
return ( int & )j; \HB4ikl
最后执行i = j; 1cyX9X
可见,参数被正确的选择了。 b1}P3W
4#z@B1Jx
,afh]#
yH8
N 8
: qKxm(
八. 中期总结 qxsK-8KT<
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: z6K"}C%
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 qd B@P
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ':fq
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor _tg&_P+kV
MU^7(s="
U'nz3
~5HI9A4^
}7Si2S
1X4v:rI
九. 简化 1CiK&fQ'
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 *FkG32k
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 | 1Fy
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: -O2ZrJ!q
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 CqUK[#kW(
+-*/&|^等 a(X?N.w
2. 返回引用。 'Dq!o[2y
=,各种复合赋值等 BC0T[o(f8
3. 返回固定类型。 x8sSb:N
各种逻辑/比较操作符(返回bool) `":ch9rK
4. 原样返回。 JU7EC~7|2c
operator, /!kKL$j
5. 返回解引用的类型。 g(\FG
operator*(单目) Nt^R~#8hF>
6. 返回地址。 mJu;B3@
operator&(单目) &WIiw$@
7. 下表访问返回类型。 GQTMQXn(
operator[] J(0.eD91v
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 h$p]#]uMb
operator<<和operator>> Nw}y_Qf{
!aD/I%X
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。 lK%pxqx
例如针对第一条,我们实现一个policy类: TE4{W4I
J 21D/#v
template < typename Left > XQhBnam%
struct value_return j(!M
{ ) =<,$|g
template < typename T > w<