一. 什么是Lambda &:w{[H$-
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 h1J-AfV
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, Dr<% Lr
B-JgXW.\0
RDk{;VED{
F^KoEWj[H
class filler e(j"u;=
{ iQS?LksQX
public : H`m|R
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Onby=Y
o6
} ; (iH5F9WO
K@%. T#
BwrMRMq"
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: IN),Lu0K
G`gYwgU;
e$ E=n
Fpl<2eBg4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); )";g*4R[
n(-XI&Kn
Wv$e/N`l
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 %]RzC`NZ
k2p{<SO;
q48V|6X'q
!)KX?i[Q
二. 战前分析 Uo5l
=\
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 @I#@%"AW
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 f`P%aX'cBQ
>=[w{Vn'Mf
(N0G[(>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !Vv$
/* --------------------------------------------- */ a{,EX[~b
vector < int *> vp( 10 ); pgfI1`h
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); FG1$_zN |
/* --------------------------------------------- */ 4: 5 CnK
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); X{<j%PdC
/* --------------------------------------------- */ { ~FYiX
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); =AGsW
/* --------------------------------------------- */ Z_cTuu0'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); I4gyGg$H
/* --------------------------------------------- */ 2U)H2%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); i{
eDV
?UQE;0 B
;Rt?&&W
qbFzA
i
看了之后,我们可以思考一些问题: N:Q}Lil
1._1, _2是什么? S_ e }>-
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。 sGc4^Z%l?
2._1 = 1是在做什么? j ]F
Zy
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。 O. V!L
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。 &iId<.SiJ
WdnCRFO?l
DU|0#z=*t5
三. 动工 9#@dQ/*
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: xW#r)aN]p
P<km?\Xp(
Y*dzoN.sW
1wi{lJaz
template < typename T > Ti=~y cwi
class assignment 1#&*xF"
{ NUX0=(k
T value; bH~ue5q
public : Yq $(Ex
assignment( const T & v) : value(v) {} AN\:
template < typename T2 > BI3Q~ADV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 8~u#?xs6
} ; ^$4d'
bYYyXM
6dt]$
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 S=n,unn#t
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment CVyqr_n65/
1t
WKH
2fu|X#R
AVyqtztQ
class holder $RuJm\f
{ f.!)O@HzH
public : 9_n!.zA<
template < typename T > 1l"A7
V
assignment < T > operator = ( const T & t) const mA|!IhM
{ S>Z V8
return assignment < T > (t); kQxY"HD
} Ec y|l;
} ; \H!ECTI
4=9To|U*
uHkL$}C
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: ZqsI\"bj
Y 4sf 2w
static holder _1; RX P 0
4
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 =toqEm~
5P9hm[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); O['gp~P"
而不用手动写一个函数对象。 OW<i"?0
"gADHt=MIR
_%Sorr
1a;Le8
四. 问题分析 7^4F,JuJO
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。 4\H:^U&
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。 2-Y%W(bEzs
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 f^@`[MJj1C
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 oj /:
下面我们可以对这几个问题进行分析。 S 0eD
2
6UXa
5t
五. 问题1:一致性 (Hb
i+IHV
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?| 8zS't2
u
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 AdxCP\S&
!([Q1r{u
struct holder =W"BfG
{ 3P-qLbJ
//
#"&h'V
template < typename T > OM*N) *
T & operator ()( const T & r) const b*S:wfw
{ dPwe.:
return (T & )r; QkBT,c
} \Q7Nz2X
} ; T%A45BE
V
)eop:!m
这样的话assignment也必须相应改动: Y
O;N9wu3f
R|
[mp%Q
template < typename Left, typename Right > /bv`_>
class assignment e;\g[^U
{ SV}q8z\
Left l; ^UHt1[
Right r; jU
|0!]
public : 1A"h!;0
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} t$^1A1Ef
template < typename T2 > D[ U[D
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } t-*oVX3D
} ; Z(Fsk4,
0Po",\^
同时,holder的operator=也需要改动: kKFmTo
Tu2BQ4\[
template < typename T > F#>?i}
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 6C@,&2<yK
{ ~9c?g(0
return assignment < holder, T > ( * this , t); XF(0>-
} 0j\?zt?
:=WiT_M
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。 (1p[K-J)r
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 d%VG@./xq
NKf][!bi
return l(rhs) = r; F!OVx<
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。 Tn2nd
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: }w .[ZeP
N)|mA)S)
template < typename Tp > MT9c:7}[&
class constant_t m"*j J.MX
{ rKEi1b
const Tp t; T^.;yU_B?
public : 4UD<g+|
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} d7s? c
template < typename T > Z ?`
const Tp & operator ()( const T & r) const 5W_u|z+/g
{ ?Iy$'am]L
return t; / 4{6`
} ep`WYR|B
} ; aC:Sy^Tf
.v;$sst5y
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Lt>"R! "x
下面就可以修改holder的operator=了 7pH`"$
&1)4B
template < typename T > J%`-K"NB
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const jf25Ky~
{ ({JXv
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); "]h4L
} G?D7R/0)
h?E[28QB
同时也要修改assignment的operator() hbm%{*d
a9S0glbwf
template < typename T2 > ~ED8]*H|`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } OI0#@_L&
现在代码看起来就很一致了。 Y"~Tf{8
|hBX"
六. 问题2:链式操作 KW.*LoO
现在让我们来看看如何处理链式操作。 v5STe`
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。 9}p>='
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。 Za68V/Vj
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。 ?blF6Kl$
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct F:nhSd
Ibt~e4f
template < typename T > &KinCh7l L
struct result_1 PI_MSiYQ
{ +>3XJlZV
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Hl`S\
} ; -6lsR
(iub \`
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;M8
a@(4X/|
template < typename T > z}I =:
struct ref $:IOoS|e
{ ~ [L4,q
typedef T & reference; l&3f<e
} ; NIZN}DnP
template < typename T > %Jy0?W N
struct ref < T &> ]WlE9z7:8
{ /d; C)%$
typedef T & reference; Gx Z'" x
} ; TG4?"0`I5
B#RBR<MFC
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: #OlU|I
hx|Cam"
template < typename T > wdS4iQD
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const /5cFa
{ MmUtBT
return l(t) = r(t); o,o,(sII
} h'*>\eC6
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。 'Cw&9cL9w
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 -|E|-'
&5JTcMC^
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 1, 5"sQ$
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: "rhU2jT=c
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 M"cB6{st[
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 },r30` )Q
最后的布局是: G@s]HJ:
Add V>"nAh]}.
/ \ ^{z@=o<o
Divide 5 L~x
PIu
/ \ Md!L@gX6<
_1 3 &f12Q&jY7
似乎一切都解决了?不。 *Uq1q
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。 Hn~=O8/2
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 .I<.e
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: xd[GJ;xvs
%x$1g)
template < typename Right > "ecG\}R=
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 5Q_T=TL
Right & rt) const z4qw*. 5
{ }^T7S2_Qy
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -e#~CE-
} 8:W,""
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Vz=ByyC
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。 g&z)y
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。 SZ/}2_;
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。 $bf&ct*$h
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。 (_:k s
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? lrn3yDkR?
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: T6T3:DG_B
p]/qf\E
template < class Action > Pv mmyF
class picker : public Action ~|W0+ &):
{ I``S%`h
public : w$ zX.;s
picker( const Action & act) : Action(act) {} :0G_n\
// all the operator overloaded KyQO>g{R
} ; Dt1v`T~=?
z]/;?
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。 uc.dtq!
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: M%*D}s-QE
4CUoXs'
template < typename Right > [
" n+2;
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const M
@|n"(P
{ 8$!&D&v
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 'hEvW
} 79DzrLu
NNKI+!vg
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > <)hA?3J
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 x,U'!F
I:~KF/q
template < typename T > struct picker_maker 74[wZDW|(
{ 8R3x74fL
typedef picker < constant_t < T > > result; [uJfmr EH
} ; iy<|<*s2D
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > >
whcZ.8
{ i6S5 4&^!
typedef picker < T > result; w^AY= Fc
} ; d4#CZv[g/
:\!D 6\o6
下面总的结构就有了: `l#|][B)g$
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。 e;|:W 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。 $#ve^.VHv
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 nrhzNW>]
至此链式操作完美实现。 |S0w>VH>
QLs9W&PG
0XcH
七. 问题3 $ \yZ;Z:
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。 j_(DH2D
&["s/!O1 R
template < typename T1, typename T2 > }?\8%hK"a7
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const t!=qt*
{ <Ny DrO"C3
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6`c5\G+
} C`J> Gm
Qkvg85
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: J]!&E~Y
VW$a(G_h
template < typename T1, typename T2 > Gu#Vc.e
struct result_2 O(R1D/A[
{ TR<M3,RG#%
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; G!u+~{g
} ; {Vw\#/,
6>yfm4o
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? ~nVO%IxM4J
这个差事就留给了holder自己。 azs lNL
$fzO:br5WJ
rexNsKRK_
template < int Order > [%uj+?}6O
class holder; ,+d\@ :
template <> Nf]h8d~
class holder < 1 > [$Dzf<0
{ {4y#+[
public : ?W3l
template < typename T > mTj?W$+r
struct result_1 H@'f=Y*D
{ &Hi;>
typedef T & result; (^G@-eh
} ; 9hTzi+'S
template < typename T1, typename T2 > f?qp*
struct result_2 {^T_m)|n
{ j; MQ_?"iN
typedef T1 & result; 8|"26UwD/
} ; iwXMe(k
template < typename T > *el~sor;S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {!L25
{ oSl@EI
return (T & )r; ?mA%`*=q
}
TwI'}J|w
template < typename T1, typename T2 > $(r/N"6)O2
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const V0/PjD,jP
{ T2dv!}7p
return (T1 & )r1; J#*%r)
} rRQKW_9mB
} ; O
a%ZlEUF
+T/T \[
template <> 1iJa j
class holder < 2 > &)$}Nk
{ vTl7x
public : W^k|*Y|
template < typename T > *}P=7TuS
struct result_1 M%z$yU`ac
{ W7` fI*lc
typedef T & result; ,\RZ+kC>~
} ; s# 9*`K
template < typename T1, typename T2 > V{{Xz:
struct result_2 Bnfp_SM
{ g}OZ!mKd
typedef T2 & result; 1!=^mu8
} ; y2o~~te
template < typename T > A-&XgOL
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ^2a 63_
{ 2X,`t%o
return (T & )r; KNG7$icG
} NVX @1}
template < typename T1, typename T2 > 61~7 L^882
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Fd;%wWY.zm
{ ]ft}fU5C1
return (T2 & )r2; _*.ImD
} YHOo6syk
} ; M~ku4ZP
NiSH$MJ_
[vTk*#Cl4
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> >。 V^%P}RFMc
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: }pJLK\
首先 assignment::operator(int, int)被调用: asZ(Hz%
P^57a?[`
return l(i, j) = r(i, j); EM7Z g 65
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) b[rVr
J
a{@gzB
return ( int & )i; Db K(Rh_
K
return ( int & )j; Yv/T6z@
最后执行i = j; !T"jvDYH
可见,参数被正确的选择了。 IwVdx^9
XM57 UG
x~u"KU2B
1W'0h$5^"
@h,3"2W{Ev
八. 中期总结 ]S 3l' "
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: IKVFbTX:y
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 O^~Z-;FA
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 +`f3_Xd
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor <lgX=wx L
vLs*}+f
c->.eL%
(b8ZADI*
:pdl2#5H^
85_Qb2<'r
九. 简化 [?55vYt
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 )m$MC25
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ;-^8lWt
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: ~7>D>!!
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 O_ d[{e=5`
+-*/&|^等 lw43|_'G-t
2. 返回引用。 %j/}e>$"Nk
=,各种复合赋值等 KP&$Sl
3. 返回固定类型。 =`ECM7
各种逻辑/比较操作符(返回bool) |@BX*r
4. 原样返回。 [=TD)o>W(p
operator, )lH`a
5. 返回解引用的类型。 7d^ ~.F
operator*(单目) u K=)65]
6. 返回地址。 JqV}>"WMV
operator&(单目) ;;K
~
7. 下表访问返回类型。 0{(5J,/BF
operator[] oTg
'N
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 k] A(nr
operator<<和operator>> l kW5<s_
]oLyvG
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。 a"D'QqtH
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 8osP$"/o
)%09j0y>l"
template < typename Left > 'Pe;Tp>`
struct value_return 9p, PW A
{ C@Wd Pjxj
template < typename T > 5KTPlqm0qF
struct result_1 @77+K:9I7
{ bT^(D^
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; H.<