一. 什么是Lambda s'Op|`&X
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 7 g2@RKo
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, [
S_8;j
2wKW17wj,
=Y;w O8
6L\?+=X
class filler /ZcqKC
{ :kMEL*
public : Wdp?<U
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} H|]~(.w 1}
} ; XNm%O
V< ]l=JOd
_0uFe7sIZ
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: CG -^}xE:
dDeImSeV
M:* ^k
t(,_
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 4PVkKP'/
vxmz3ht,Q
OB&lq.r
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 \4B2%H
/'S@iq
n,.ZLuBEX
4Em$L]7
二. 战前分析 +d=cI
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-d#x8
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 '&<T;V%
!4ZszQg
k;AV'r
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); v]tNJ=aI
/* --------------------------------------------- */ !VF.=\iH/
vector < int *> vp( 10 ); g/2e Y$6Z
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :Jz@` s1n
/* --------------------------------------------- */ AzwG_XgM)
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ML|O2e
/* --------------------------------------------- */ [kjm EMF9i
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); SW^/\cJ^
/* --------------------------------------------- */ :gvw5h%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); y_mD9bgW
/* --------------------------------------------- */ u\,("2ZW9+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); y&$mN
S<+/ Ep 2
AZi|85rN
>We:gKxr
看了之后,我们可以思考一些问题: b<N962 q$q
1._1, _2是什么? H+VKWGmfG
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 < mb.F -8
2._1 = 1是在做什么? ?3v Oc/2@
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 6tKm'`^z4
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 ~jqG
svBT~P0x
I`O)I&KH
三. 动工
~MOab e
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Rp!R&U/
e!:/enQo
[^U#ic>cT
%kcyE<c
template < typename T > D)u 9Y
class assignment QnWM<6xK"
{ <`~zKFUQ[
T value; ]B;\?Tim
public : `9+>2*k
assignment( const T & v) : value(v) {} 2L'vB1`
template < typename T2 > wGXnS"L!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 8\85Wk{b
} ; [ NSsT>C
X)tf3M
{J@
\U1fUrw$*
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 s /?&H-
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment `?X=@
)AX0x1I|E
PhS`,I^Z
NVTNjDF%s
class holder cvf@B_iN9
{ YRkp(}*!\
public : #..-!>lY
template < typename T > ]T3dZ`-(
assignment < T > operator = ( const T & t) const 0S{dnp
{ J5J$qCJq
return assignment < T > (t); }Z|uLXaz
} xKKR'v:o\
} ; Or0eY#c
:OF:(,J
qrFC4\q}
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: b :Knc$
q=M\#MlL0'
static holder _1; q 16jL,i
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 NbD"O8dL~E
^Ms)T3dM
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); m]1=o7
而不用手动写一个函数对象。 S<hj6A
rb/m;8v>
0]F'k8yLN
C3Hq&TVf/
四. 问题分析 QFI8|i@
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。 :y?xS
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。 'wo[iNy[
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 b9ON[qOMN
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 {\OIowa
下面我们可以对这几个问题进行分析。 @$5GxIw<l
e$k]z HlQ
五. 问题1:一致性 >bf29tr
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?| 0 L34)W
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 hrwQh2sm
YU89m7cc'
struct holder {[~
!6&2(k
{ +fgF &.
// X7I"WC1ncz
template < typename T > <p48?+K9
T & operator ()( const T & r) const ~zklrBn&
{ +\`D1d@
return (T & )r; UF[2Rb8?
} sckyG
} ; KfU4#2}
(c/H$'
这样的话assignment也必须相应改动: nt,tM/
idwiM|.iU
template < typename Left, typename Right > Xd_86q8o
class assignment @j%r6N
{ \dyJ=tg
Left l; _Ee`Uk
Right r; {gE19J3
public : *t;'I -1w^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} :*bmc /c
template < typename T2 > Gs*FbrY
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } U9D4bn D
} ; {emO=@CP
w ' E
同时,holder的operator=也需要改动: zN(fZT}K5
uiO7sf6
template < typename T > W;]*&P[[
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const dbTPY`
{ ubV|s|J
return assignment < holder, T > ( * this , t); \*}JdEHB
} a!,q\p8<t0
~q]+\qty4
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ^h+<Q%'a'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 10v4k<xb
6V= 69}
return l(rhs) = r; Q 'R@'W9
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 })OgsBk
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: `}1IQ.3
XqVhC):
template < typename Tp > 6i/x"vl>
class constant_t ~X^L3=!vf
{ :)v4:&do
const Tp t; V#?GDe}[
public : r;`6ML[5Vx
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ;d1\2H
template < typename T > D6,rb 9
const Tp & operator ()( const T & r) const 4@PH5z
{ bk E4{P"
return t; }2Y:#{m
} &pS <4
} ; uBLI!N-G
5;+OpB
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 B\a-Q,Wf
下面就可以修改holder的operator=了 4,m
aA
<4z |"(
template < typename T > B$aA=+<S
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const :E/]Bjq$;
{ ^[}^+
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); UY*3b<F}
} k%V#{t.
i]8HzKuiW
同时也要修改assignment的operator() Rh-e
C6P
!/G2vF"
template < typename T2 > TI-8I)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } @Otom'O
现在代码看起来就很一致了。 oD]tHuDa
cq`v8
六. 问题2:链式操作 B&&:A4
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ^PIUA'
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。 _}.BZ[i
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。 MtC \kTW
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。 V6Kw71'9
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct oLEqy
m72r6Yq2@
template < typename T > 53d8AJ_@X
struct result_1 Qvh: hkR
{ y^:!]-+
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; WpE\N0Yg
} ; (J8(_MF
Tj}H3/2
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: J[rpMQ
<zE,T@c
template < typename T > >K$9(
struct ref +^n [B
{ ~=~|@K
typedef T & reference; M=hxOta
} ; X4LU/f<f
template < typename T > iJE
$3
struct ref < T &> VdpwZ
{ (K"U# Zn
typedef T & reference; Z-W>WR
} ; MG<kvx~2
bcFG$},k
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: e[f}L xln
Y.&nxT95=
template < typename T > aMQfg51W:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const t<5$85Y~
{ hnag<=
return l(t) = r(t); LIYj__4=|
} r9<OB`)3+
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。 rf_(pp)
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 fB+4mEG@
$8gj}0}eH
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 x5_V5A/@LU
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: #?8dInu>
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 7 sv
3=/`
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 lB9 9J"A
最后的布局是: sJ[I<
Add U:xY~>
/ \ +jQHf-l
Divide 5 c3,YA,skb!
/ \ 4SRX@/ #8*
_1 3 R&Y+x;({
似乎一切都解决了?不。 ._j9^Ll
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 k@MAi*
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ?5(Cwy ?
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: z+IBy+
{%W'Zx
template < typename Right > !5lb+%7
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const g,Z8I;A^
Right & rt) const IzPnbnS}
{ D?ojxHe
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); g{wOq{7V
} |P!7T.
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 P%w)*);
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 J{fTx@?(
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 7.Df2_)
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 .YYfba#{
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 ,@1rP 55
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ZoJ_I
>uv
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: J:g4ES-/
~JhH ,E
template < class Action > ASA ]7qyO
class picker : public Action F
uYjrzmx
{ OolYQU1_
public : L-Io!msb
picker( const Action & act) : Action(act) {} C sXV0
// all the operator overloaded 4eOS+&
} ; (JV [7u -
-JgN$Sf
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。 [X K^3pT_
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:
XdS&s}J[I
{/|RKV83
template < typename Right > x_Y03__/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +/+:D9j ,
{ 4yy9m8/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d)hA'k
} BMaw]D
EjxzX1:
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > _Sa7+d(
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。 +9EG6"..@H
')eg6IC0&T
template < typename T > struct picker_maker S9\_ODv
{ :(7icHa
typedef picker < constant_t < T > > result; (%p@G5GU
} ; 8zhr;Srt
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > w)xiiO[
{ L>xecep
typedef picker < T > result; FFC"rG
} ; ,j3Yvn W
>~_oSC)E
下面总的结构就有了: {\:"OcP #
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。 |.]sL0;4Z
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。 3i\<#{
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 mO#62e4C
至此链式操作完美实现。 ,%Go.3i[
M/<>'%sj
Zw@=WW[Q`p
七. 问题3 H5MO3DJ
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。 2iX57-6Ub
6l Suzu
template < typename T1, typename T2 > Rda~Drz
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const y}5:CZ
{ ULT,>S6r
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); t[=-4;
} y6#AL<W@=
2g0_[$[m
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: xlKg0&D
mCb1^Y
template < typename T1, typename T2 > PCqE9B)l
struct result_2 1s\
{ PvHX#wJ
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; I='6>+P
} ; 5`>%{ o
rl/]Ym4j
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? pc+'/~
这个差事就留给了holder自己。 ,M?K3lG\g[
*OM+d$l!
OdSglB
template < int Order > Sm5T/&z
class holder; BQo$c~
template <> b+/z,c6w
class holder < 1 > PNgdWf3
{ S:=
_o
public : !_i;6UVG
template < typename T > QZZt9rA;
struct result_1 5Z]]xR[
{ \bXusLI!l
typedef T & result; (JX 9c
} ; H{1'OC
template < typename T1, typename T2 > MP6Py@J45
struct result_2 ;N(9nX}%)
{ 7gnrLc$]O
typedef T1 & result; U*Sjb%
Qb
} ; r)]8zK4;=
template < typename T > #_pQS}$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const F-TDS<[S?
{ k]"DsN$
return (T & )r; a[Y\5Ojm
} hI6Tp>b*~
template < typename T1, typename T2 > H$M{thW
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const DnP
"7}v
{ HSG7jC'_
return (T1 & )r1; wdMVy=SS
} ehTRw8"R
} ; goje4;
gt \O
template <> wg}rMJoG|
class holder < 2 > 4
Q<c I2|
{ %=*nJvYS
public : *]K/8MbiF
template < typename T > o=)["V
struct result_1 <FofRFaS
{ uXuA4o$t-
typedef T & result; 'UFPQ
} ; a<CJ#B2K
template < typename T1, typename T2 > NK!#K>AO
struct result_2 /6@$^paB
{ H"b}lf
typedef T2 & result; crlCN
} ; pPH"6
template < typename T > '7yVvd
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 8#h~J>u.
{ HceZT e@
return (T & )r;
iF^
} 4?',E ddo
template < typename T1, typename T2 > V2oXg
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Xaw&41K
{ d`sIgll&n
return (T2 & )r2; kE[Hq-J=N
} AAc*\K
} ; XCyAt;neon
%G>
:zK\t5
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 LUKt!I0l
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: L43]0k
首先 assignment::operator(int, int)被调用:
`)n/J+g
aS/ MlMf
return l(i, j) = r(i, j); 8S#TOeQ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) S%IhpTSe6
VlFhfOR6t
return ( int & )i; 3R?6{.
return ( int & )j; shuoEeoo
最后执行i = j; r"$~Gg.%(
可见,参数被正确的选择了。 J/>9w
["BD,mB
I~T~!^}U
q c DJ
fl+dL#]
八. 中期总结 9R3YUW}s
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: %T,cR>lw
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 tdOox87YK
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 .`~=1
H\R"
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor r 3FUddF'
B#, TdP]/
EY}*}- 3
Z@gEJ^"yA"
(Y~gItej
FB }8
九. 简化 8Y
P7'Fz
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。 c+N\uG4
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 hOR1RB
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: xY@<