一. 什么是Lambda W?a{3B
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 uR|?5DK
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, ^E)Kse.>
&P+7Um(
E%R^
kqqr
y"|QY!fK
class filler <<43'N+
{ y^7ol;t
public : C'HW`rh.^
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} C%s+o0b
} ; uF xrv
:Hk:Goo2
/H_,1Fu|
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: ~16QdwK
0K\Xxo.=
orGNza"A
6$1dd#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true );
ohK_~
9uV'#sR
'baew8Q#
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 \q2#ef@2
W`baD!*
&kR +7
taS2b#6\+
二. 战前分析 BPp`r_m8w}
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 W/(D"[:l%
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 3Un{Q~6h
[dm&I#m=
<kQ
5sG
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); rJ
LlDKP-(
/* --------------------------------------------- */ }GIwYh/
vector < int *> vp( 10 ); XcoV27
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); mv7><C
/* --------------------------------------------- */ OnNWci|7
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); #~A (%a
/* --------------------------------------------- */ m).S0
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); QvM+]pdR6
/* --------------------------------------------- */ k z|2PP
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); `
u# '
/* --------------------------------------------- */ p0 @,-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); `[hc{ynO|
Nm{\?
. ZuRH_pI
cC{eu[ XW
看了之后,我们可以思考一些问题: Ls8@@b,t2
1._1, _2是什么? )ZxDfRjL
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 "O{_LOJ
2._1 = 1是在做什么? nz72w_
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 hE|Z~5\Y,>
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 p.{M s n
{H]xA 3[]
h28")c.pH=
三. 动工 fj2pD Cic
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: /}G+PUk7
"7v/-
#6< X
V$y6=Q<c
template < typename T > z/IA
@
class assignment v-zi ,]W
{ -f&16pc1t
T value; P`/;3u/P
public : l)V!0eW
assignment( const T & v) : value(v) {} ?LJDBN
template < typename T2 > gb b2!q6p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } %+\ PN
} ; ==zt)s.G(+
j]-0m4QF
3j'A.S
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ,EkzBVgo
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment _a;E>
S6k
R o^2
]_Cm 5Z7
3AKT>Wy =
class holder 'r&az BO
{ \Wdl1 =`
public : l;*/F`>c
template < typename T > PI
KQ}aq=
assignment < T > operator = ( const T & t) const C,*3a`/2M^
{ "Di27Rq
return assignment < T > (t); !Tc
jJ2T
} ~d0:>8zQR
} ; OT1
@ |bN[X L
l@;UwnI
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: #[|~m;K(w
4@2<dw|*h
static holder _1; )-98pp7~BB
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 `Aa}q(}k
kF%EJuu
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ^!Y]l
而不用手动写一个函数对象。 MQs!+Z"m>
#Tc]L<."
8fV.NCyE
@vsgmz
四. 问题分析 nWfzwXP>_
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。 oXC|q-(C
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。 z\S#P|;
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 #[ei/p
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 /_WAF90R?
下面我们可以对这几个问题进行分析。 $Hw
w
%bu$t,
五. 问题1:一致性 C%2BDj
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?| _?]0b7X
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ~lBb%M
6Zr_W#SE
struct holder OQlmzg
{ a
~s:f5S>
// j6!C/UgQ
template < typename T > "_LDs(&
T & operator ()( const T & r) const Rz sgPk
{ v|!u]!JM
return (T & )r; ;rgg O0Y
} jeKqS
} ; 0bG[pp$[
Dno]N
这样的话assignment也必须相应改动: \a#{Y/j3
Cz1Q@<)
template < typename Left, typename Right > / @v V^!#1
class assignment 4>x$I9^Y!
{ m:6^yfS
Left l; 1 X8P v*,
Right r; y4\(ynk
public : NO)Hi)$X6Y
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 6o5NeKZ
template < typename T2 > +9^V9]{Vo
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Vy.gr4Cm
} ; Mh=yIx</
/M,C%.-
同时,holder的operator=也需要改动: yL2sce[
0W_olnZ
template < typename T > 2XX-
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const WGmXq.
{ (vR9vOpJ
return assignment < holder, T > ( * this , t); r\PO?1
} )WBp.j /#
c)*,">$#
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。 {[|je]3v
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 g~7x+cu0
Arr(rM
return l(rhs) = r; T!f+H?6
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。 VyMFALSe]h
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: xK*G'3Ge
D(;jv= "/
template < typename Tp > X-,mNvz
class constant_t \m xi8Z
w
{ 009[`Z
const Tp t; XRl!~Y|
public : r,43 gg
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 0hNgr'
template < typename T > T'ko =k
const Tp & operator ()( const T & r) const /` ;rlH*
{ ;L*Ku'6Mt
return t; +$uQ_ve
} >Ut4INV
} ; qjm6\ii:)
V}Ok>6(~
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 U/#X,Bi~
下面就可以修改holder的operator=了 wsKOafrV
gAudL)X
template < typename T > ^)nIf)9}7
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const *'-[J 2
{ We`6# \Z X
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); YigDrW
} E%b*MU
wbpz,
同时也要修改assignment的operator() kEYkd@{
n8+_Uww
template < typename T2 > /;X+<Wj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } gLss2i.r
现在代码看起来就很一致了。 On~w`
A{ a4;`}5
六. 问题2:链式操作 5y~Srb?2
现在让我们来看看如何处理链式操作。 @oNYMQ@)d
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 T5_/*`F
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 17E,Qnf
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Z1~`S!(}
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct _'mK=`>u
WvoJ^{\4N*
template < typename T > &*Z"r*
struct result_1 Z?f-_NHg
{ 3j6Am{9
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ?mp}_x#=
} ; :|HCUZ*H(T
==Ah& ){4^
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: t"$#KP<
;%Zu[G`C
template < typename T > Z#t}yC%^d
struct ref o.g)[$M8cF
{
@hF$qevX
typedef T & reference; 6n?0MMtR
} ; =c;.cW
template < typename T > 8x`EUJ
struct ref < T &> Ods~tM
{ c }7gHud
typedef T & reference; YXLZ2-%ohZ
} ; u.@B-Pf[Eo
x+bC\,q
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: @@3%lr71
zq'KX/o
template < typename T > h:=W`(n5u
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const {+^&7JX
{ AsfmH-4)
return l(t) = r(t); ._[uSBR'
} Zs|m_O G
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。 4*&2D-8<K
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Tg@:mw5
xyrlR;Sk
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 SUb:0GUa
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: MMy\u) 4
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 -KL5sK
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 -PCFOm"
最后的布局是: T0X+\&W
Add Oj>;[O"
/ \ 2dCD.9s9~
Divide 5 EX/{W$
&K
/ \ sZ>0*S
_1 3 6Qn};tbnD
似乎一切都解决了?不。 nC}Y+_wo0
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。 G.:QA}FE'
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。 +F92_a4
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: n
>@Qx$-
ROJ=ZYof
template < typename Right > 7n[0)XR>
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const @Yw>s9X
Right & rt) const WCP2x.gb5
{ qK)T#sh
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); g!;a5p6
} zwJ\F '
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 he|.Ow
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 }2''}-Nc
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 fp?/Dg"49.
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 C.RXQ`-P}
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 !}hG|Y6s
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ' 7H"ezt
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: 0"l`M5-KP
+' SG$<Xv
template < class Action > &<EixDi4q
class picker : public Action &&7&/
{ M%bD7naBq
public : ?h:xO\h8
picker( const Action & act) : Action(act) {} |~B` [p]5H
// all the operator overloaded {n{-5Y
} ; v+~O\v5Q
"I
QM4:
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~E\zw
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: *{(tg~2'(
bAEwjZ
template < typename Right > [JEf P/n|.
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const $"g'C8
{ M7=|N:/_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); nP0rg
} ;)Sf|
#s{EIj~YR_
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> >
|`pDOd
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。 Z3f}'vr
dN@C)5pm5`
template < typename T > struct picker_maker tu^C<MV
{ `(xzCRX
typedef picker < constant_t < T > > result;
t;}`~B
} ; )T@?.J`
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Pp.]/;
{ "}2I0tM
typedef picker < T > result; W)AfXy
} ; :)F0~Q
_q}^#-
下面总的结构就有了: -Np}<O`./
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。 y?UB?2VN
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。 RBpv40n0
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 zFr#j~L"
至此链式操作完美实现。 Y o\%53w/
}J6 y NoXu
$mxl&Qr>Q;
七. 问题3 ]]T,;|B
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 _FCg5F2U
~En]sj
template < typename T1, typename T2 > ~ E n'X4
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const hV NT
{ ,M Ugww!.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); !`dMTW
} 4'y@ne}g!
|?v+8QL,;t
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Oo/@A_JO@
Y+gNi_dE
template < typename T1, typename T2 > W$J@|i
struct result_2 h>A~yDT[
{ AG|:mQO
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; /k KVIlO
} ; zh5ovA%
LC qWL1
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? S&F;~
这个差事就留给了holder自己。 @[#)zO
mOJ-M@ME
bUe6f,8,
template < int Order > ,U>G$G^
class holder; 4$+/7I \
template <> R]l2,0:
class holder < 1 > or(P?Ro
{ -HRa6
public : QzY5S0
template < typename T > 2]E i4%jo
struct result_1 $U'*}S
{
|P-kyY34
typedef T & result; cA~bH 6
} ; FAq9G-\B
template < typename T1, typename T2 > 2+yti,s+/
struct result_2 {d%hkbN+{
{ +A1xqOB
typedef T1 & result; !.7m4mKzo
} ; NYeL1h)l
template < typename T > dvLL~VP
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 2^)_XVX1
{ -kb;h F}.
return (T & )r; ^xq)Q?[{
} ]'<"qY
template < typename T1, typename T2 > EME}G42KN
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const |N|[E5Cn
{ - H`,`#{
return (T1 & )r1; #<vzQ\~Y
} OpmPw4?}
} ; OG^#e+
10tt' :
template <> =cI> {
class holder < 2 > [x0*x~1B
{ w}U'>fj
public : cRSgP{hy
template < typename T > %F(lq*8X
struct result_1 <FwAV=}6p
{ " ,]A.,
typedef T & result; #KDN
} ; !Hj
7|5
template < typename T1, typename T2 > Vg7BK%
struct result_2 {*X|)nr
{ < fYcON
typedef T2 & result; fz rH}^
} ; :MGIp%3
template < typename T > oTveY
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;oOv~YB7H
{ EV_u8?va
return (T & )r; vkLyGb7r<
} +<)H2
template < typename T1, typename T2 > gyobq'o-
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const >1q:-^
{ X3l6b+p
return (T2 & )r2; rfOrh^
} <<&SyP
} ; cUwR6I9
R.rE+gxO1
y27MG
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> >。 +u3vKzD
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: pz]KUQ
首先 assignment::operator(int, int)被调用: }BiA@n,
d6A+pa'2
return l(i, j) = r(i, j); 72dd%
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) rGzGbI=
CL5t6D9Qi
return ( int & )i; $SU<KNMZ
return ( int & )j; ZBjb f_M:
最后执行i = j; O*9d[jw[
可见,参数被正确的选择了。 IW=%2n(<1
&7KX`%K"D
rji<g>GQ
j#9n.i
%h
z=TuUl@
八. 中期总结 v&xhS
yZ
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: zI_pP?4;.q
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 SA~oGgk=P
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 L/,M@1@R
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Kk>va->R
#^w8Y'{?
7
;x
to =
QPW+L*2
sbV_h;<
g8]$BhRIfr
九. 简化 GX N:=
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。 Q'rX ]kk_
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 W1[C/dDc
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: sX(rJLbD
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 *!,k`=.([#
+-*/&|^等 lht :%Ts$
2. 返回引用。 ,DCrhk
=,各种复合赋值等 Olr'n% }
3. 返回固定类型。 KXcE@q9
各种逻辑/比较操作符(返回bool) !{XVaQ?x
4. 原样返回。 cB2~W%H
operator, F#|mN0op
5. 返回解引用的类型。 Pa/2]) w
operator*(单目) Zrq\:KxX
6. 返回地址。 6W)#FO`
operator&(单目) tA-p!#V<k1
7. 下表访问返回类型。 v#9Uy}NJ9
operator[] E\VKlu4
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 .WlZT-
operator<<和operator>> |qb-iXW=
D}?JX5.
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。 wArzMt}[
例如针对第一条,我们实现一个policy类: OJs
s
_j]vR
template < typename Left > _+qtH< F/
struct value_return V/J-zH&
{ A~8-{F 31
template < typename T >
!-8y;,P
struct result_1 0~cbB
{ }QJ6"s
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; sDXQ{*6a
} ; D#11
N^-K
|k)Nf+(}W
template < typename T1, typename T2 > k'K 1zUBj
struct result_2 }Q_ }c9?
{ ;uqi
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; - S%8
} ; {?]&