一. 什么是Lambda {h/[!I`
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?.E6Ube
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, x>vC;E${"
8 hx4N
J'9hzag
v'uWmL7C
class filler j:K>3?
{ eAN]*:]g
public : s^+h>
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} P F#+G;q;
} ; ]s-;*o\H
<6g{vNA
NNSHA'F,.\
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: C o v,#j j
[sJ f)<
<?'d\B
O?e38(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); %LeG.~?
$,$bZV
gV@FT|j!i
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 - &u]B$
Jm&7&si7
Qa@b-v'by
Iko1%GJ1Z
二. 战前分析 |kJ'FZZd
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'a6)WE
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 %PozxF:
N>##}i
i"mN0%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); i[1K~yXq:
/* --------------------------------------------- */ a^_\ #,}
vector < int *> vp( 10 ); 0nUcUdIf+
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); @\0U`*]^)
/* --------------------------------------------- */ 0`%eP5
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); \M0-$&[+Z
/* --------------------------------------------- */ ?145^ w
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ;sd[Q01
/* --------------------------------------------- */ Z .6M~
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); vAWJP_ ;J
/* --------------------------------------------- */ Bfe#,
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); <$bM*5sHF>
S}6Ty2.\
)
=-$>75Z
As0E'n85
看了之后,我们可以思考一些问题: l,j7I3&~%
1._1, _2是什么? KvENH=oh
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 _'DT)%K
2._1 = 1是在做什么? 5(RFkZn4[
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 jMv qKJ(<
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 -|;{/ s5
?O3E.!Q|
{a aI<u
三. 动工 <QbD ; (%
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ..BIoSrj
FOJ-?s(
&?N1-?BjM
l~P%mVC3m
template < typename T > T-e'r
class assignment 7\x7ySM
{ ZlQ@k{Es~
T value; nvY3$ Ty
public : Tbf't^Ot$
assignment( const T & v) : value(v) {} Y,BzBUWK
template < typename T2 > " B`k
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } o
4G%m>$
} ; _9 yb5_
v?Dc3
q?}
/q
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 BUcPMF%\y:
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 9e|-sn
'}#=I 9=ss
UrtA]pc3L
\fC)]QZ
class holder SSG57N-T
{ fz/Ee1T\
public : Y%<y`]I
template < typename T > cbe&SxJ
assignment < T > operator = ( const T & t) const r7B.@+QK
{ ToMvP B);
return assignment < T > (t); zT$-%
} g7\MFertR^
} ; |v,%!ps
9N1Uv,OtB
matW>D;J
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: h-r\1{Q1]
r{NCI
static holder _1; "^M/iv(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 $sF'Sr{)y
\dvzL(,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); }%e"A4v
而不用手动写一个函数对象。 %f[0&)1!.v
B=dF\.&Z
z+3GzDLy
HURrk~[
四. 问题分析 iCd$gwA>F
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。 Pw c)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。 MnToL@
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 F)fCj^zL
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 _:dt8+T#
下面我们可以对这几个问题进行分析。 C8ss6+k&
3=YK" 5J
五. 问题1:一致性 q8DSKi
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?| %3p~5jhm1
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 }
@r|o:I
nV`n=x
struct holder DX3xWdnr
{ =AaTn::e/
// }ACWSk WK
template < typename T > (!'=?B "
T & operator ()( const T & r) const m@(8-_
{ |#OMrP+oi
return (T & )r; zNTcy1Sthk
} iakqCjV
} ; 0
0JH*I
9gWR djK:
这样的话assignment也必须相应改动: pI>yO~Ve
^7b[spqE
template < typename Left, typename Right > tj ONN(K`
class assignment 3K)12x$.K
{ (29h{=P'
Left l; Y9}5&#
Right r; ~vL7$-:
public : ^wnlZ09J
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 5a8[0&hA 2
template < typename T2 > IZ9L
;"}
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Cd Bsd
} ; s,z$Vt"h*K
^)i5.o\
同时,holder的operator=也需要改动: A=N &(k
He&7(mQ0^
template < typename T > 4c})LAwd&
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const *:r6E
{ *yx5G-#?
return assignment < holder, T > ( * this , t); YJ6y]r
K2,
} v3zd>fDnRp
i sK_t*
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 fRcs@yZnS
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 f&=WgITa
FCr^D$_w
return l(rhs) = r; -_%8Q#"
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。
5yA1<&z
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: `Zdeq.R]
2YW|/o4
template < typename Tp > s)dL^lj;
class constant_t So6ZNh9
{ b\Wlpb=QZ
const Tp t; j<*
public : ;FQ<4PR$
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} k4HE'WY
template < typename T > S*aMUV&
const Tp & operator ()( const T & r) const \r.{Ru
{ 9`a1xnL
return t; Q4H(JD1f)
} h4iz(*
} ; Y5dt/8Jo
1')_^]
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 [ClDKswq
下面就可以修改holder的operator=了 2`Dqu"TWh
yuef84~
template < typename T > E%.w6-
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const uT
Z#85L`
{ ^i"~6QYE
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); yG v7^d
} 5YV3pFz$)
vk1E!T9X
同时也要修改assignment的operator() B@+&?%ub:
pYRqV
template < typename T2 > `d,v
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } -22]|$f
现在代码看起来就很一致了。 eb#yCDIC
^Rpy5/d
六. 问题2:链式操作 4uX|2nJ2!;
现在让我们来看看如何处理链式操作。 8\lRP,-
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。 mJ #|~I*Z-
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。 z+5ZUS2~&
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。 `)aIFAW
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct mm1fG4
*%
H^d2|E[D
template < typename T > $n><p>`
struct result_1 M+|J;caX
{ 7Rq|N$y.3
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; n5NwiSE
} ; 15l{gbCW
I$y6N"|
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: w7d<Ky_C
o9XT_!Cwg
template < typename T > !
^ DQX=1
struct ref id?B<OM
{ rYKGBo8"
typedef T & reference; W'xJh0o
} ; #Fwf]{J
template < typename T > *.,G;EC^
struct ref < T &> 1;E^3j$
{ c e\|eN[
typedef T & reference; llE_-M2gH
} ; P}re"<MD
'JpCS
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: E9bc pup
v<AFcY
template < typename T > AE@N:a
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const CG0jZB#u
{ r7zS4;b
return l(t) = r(t); \UEO$~Km
} \i.Yhl:O
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。 HZl//Uq
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 -Pt']07E
JVe!(L4H
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 '
X9D( ?O
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: JFOXrRR=d
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 `Ei:Z%@7C
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #wS/QrRE
最后的布局是: =U`9_]~1c@
Add T!YfCw.HZ
/ \ GE!fh1[[u
Divide 5 (X?et
&
/ \ LDgGVl
_1 3 K^Ixu~
似乎一切都解决了?不。 6 mml96(
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。 uG^RU\(
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。 U?e.)G
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: $v\o14v
!?aL_{7J
template < typename Right > K?]c
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const @x[Arx^?}
Right & rt) const :$f9(f&
{ nsjrzO79L8
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2_C&p6VGj
} A>B_~=
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 \1f&D!F]b
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。 mGC! 7^_D`
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。 d+L!s7
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。 QT)5-Jy
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=Y pNXX
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? Z[%vO?,
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: yk0#byW`
SLjSNuOP
template < class Action > py%_XL=w,
class picker : public Action slH3c:j\
{ ]1dnp]r
public : @#1T-*
picker( const Action & act) : Action(act) {} ~ \3j{pr
// all the operator overloaded l|"SM6
} ; /DE`>eJY
@A1Ohl
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。 f2,\B6+
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: "yG*Kh7ur
AD@-H0Y
template < typename Right > u?V
Tnsu
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const \eoJ6IRE\T
{ Jf3xK"in
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); <c_'(
}
SUaXm#9
A[8vD</}_
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > i}e4P>ADD
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。 sA:k8aj
nS9 kwaO
template < typename T > struct picker_maker BWev(SF{Ny
{ vcz?;lg
typedef picker < constant_t < T > > result; 0UN65JBuD
} ; %(d0`9
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > +et)!2N
{ f~Ve7
typedef picker < T > result; ?3;0 SAh
} ; x~n]r[!L
3x3 =ke!
下面总的结构就有了: mNdEn<W
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。 MzpDvnI9
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。 *<#$B}!{
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 IRY/0v
至此链式操作完美实现。
.H7xG'$
F&)(G\
~7O.}RP0
七. 问题3 g"|/^G_6S
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。 4)z*Vux
5169E*
template < typename T1, typename T2 > #4wia%}u
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const r NT>{
{ a8v9j3.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); f6U
i~
} aF5=k:k
vI5'npM
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: Tp&7CNl|
tXW7G@
template < typename T1, typename T2 > !v?WyGbUg
struct result_2 |0s)aV|K
{ XFJz\'{
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; +xojnv
} ; 7Ug^aA
dW} m44X
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? tJ9-8ZT*
这个差事就留给了holder自己。 x>eV$UJ
bTJ l
3.@I\p}
template < int Order > :Lh`Q"a
class holder; ]~t4E'y)z
template <> pGT?=/=*
class holder < 1 > i+4!nf{K
{ P> [,,w
public : c^W \0
template < typename T > 6sz:rv}
struct result_1 c]>LL(R-7)
{ #8sv*8&
typedef T & result; B4{clI _i
} ; `71(wf1q[f
template < typename T1, typename T2 > w+G+&ak<
struct result_2 &+Yoob]P
{
ie4BE'
typedef T1 & result; @78%6KZ`i
} ; lm\~_ 4l1
template < typename T > j=y{ey7Fd
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const dvPlKLp
{ ||o :A
return (T & )r; D{G~7P\.
} zA%$l&QN]
template < typename T1, typename T2 > "fZWAGDBO\
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const `R@b`3*%v
{ aZB$%#'vR
return (T1 & )r1; :~4M9
} .xV^%e?H
} ; 3.E3}Jz`
3}gf%U]L
template <> vq-#%o
class holder < 2 > CCp&+LRvR
{ ; wKsi_``@
public : _}3NLAqg
template < typename T > 3JXKpk?
struct result_1 Kp?j\67S
{ G*'1[Bu
typedef T & result; ["ML&2|o
} ; 9ELRn@5.
template < typename T1, typename T2 > (hn;C>B
struct result_2 f,0,:)
{ i[40p!~
typedef T2 & result; XI7:y4M
} ; N)Qz:o0W
template < typename T > +p):
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const !bQqzny$R
{ "
'TEBkj|u
return (T & )r; }KFM8CbS
} g ^ 4<ve
template < typename T1, typename T2 > +xn59V
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const >NjgLJh
{ o7 1f<&1
return (T2 & )r2; M TOZ:b
} *wu|(t_ A
} ; C[s='v~}
,*j@Zb_r
/6yH ,{(a
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> >。 'm|PSwB7
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: z\r29IRh
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Yu_`
>so
rO7[{<97m
return l(i, j) = r(i, j); i8i~b8r]
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) O~&j}WN
_ Y8jl,J
return ( int & )i; J*m~fZ^
return ( int & )j; 8c5%~}kG
最后执行i = j; 2'5u}G9
可见,参数被正确的选择了。 /Q\|u:oO,
#5=!ew
WN3]xw3
DxJY{e9
0p[-M`D
八. 中期总结 dA=T+u
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:yJ~En]=
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 tq&CJvJ4
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 |$&v)
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor dZ%rmTE(H
OoOr@5g
X}G3>HcP
,<O| Iis
K~Z$NS^W&
;b;Bl:%?
九. 简化 Zil<*(kv{
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。 J[jzkzSu`
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 #Pe|}!)u
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: I.hy"y2&
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 "d
c-
!
+-*/&|^等 pu,|_N[xq8
2. 返回引用。 uL9O_a;!
=,各种复合赋值等 b_>x;5k
3. 返回固定类型。 )A=&3Ui)ab
各种逻辑/比较操作符(返回bool) M:d }
P
4. 原样返回。 =v49[i
operator, MKZq*
5. 返回解引用的类型。 >o|.0aw<
operator*(单目) B> V)6\
6. 返回地址。 w*krPaT3
operator&(单目) N`rz>6,k1
7. 下表访问返回类型。 6<{XwmM
operator[] 7 jiy9[
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 WI\jm&H r
operator<<和operator>> _8&a%?R@W
EVW\Z 2N.
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。 2b^E8+r9
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ">x"BP
JE ''Th}
template < typename Left > ^+rI=c 0
struct value_return S- JD}+9
{ #?klVK&e/
template < typename T > yLEAbd%+
struct result_1 Pm==m9
{ zp:EssO=Q
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; <(W:Q3?s
} ; xY<*:&
\CVrLn;}
template < typename T1, typename T2 > c%5Suu(J6
struct result_2 /[,0,B9!3
{ pv@w 8*
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; C1po]Ott*
} ; [J
+5
} ; MD>xRs
'l6SL-
<
BT*{&'\/
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait %hN7K
J{e`P;ND
下面我们来剥离functor中的operator() {\ ]KYI0
首先operator里面的代码全是下面的形式: lnv&fu`1P
UKzXz0
return l(t) op r(t) IyoitIbLl
return l(t1, t2) op r(t1, t2) " mB
/"
return op l(t) K-4o_:F
return op l(t1, t2) J>Bc-%.Q
return l(t) op *IIuGtS
return l(t1, t2) op d~z%kl
5:
return l(t)[r(t)] kadw1sYj
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] %z"n}|%!
-I.BQ
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: iE,/x^&,&
单目: return f(l(t), r(t)); A1F!I4p5
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); k293wS
双目: return f(l(t)); y_{fc$_&
return f(l(t1, t2)); O1Nya\^g<I
下面就是f的实现,以operator/为例 tqzr+
~vB dq Yj
struct meta_divide ?v}S9z
{ w<Ot0&