一. 什么是Lambda )ZGYhE
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 25d\!3#E
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, );nz4/V
kI%peb?
aD2*.ln><
C\ vC?(n
class filler t9.,/o,
{ OB~C} '^$
public : A t{U~^
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} :q^R
`8;(t
} ; ;{k=C2
BRb\V42i;
^|#>zCt^
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: S?L#N
Go 1(@
eJ)1K
RU0i#suiz
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); YZ+>\ x
6B#('gxO
\eQla8s
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 vQ 4}WtvA
|zq4* 5
Bz+.Qa+
2{-!E ^g
二. 战前分析 Vo,[EVL
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。 Edw2W8
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 QBoFpxh=
-/>9c-F
"V4Q2T
T
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); vt.P*Z5
/* --------------------------------------------- */ }taLk@T
vector < int *> vp( 10 ); y}N&/}M:}8
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); S ZlC4=6c
/* --------------------------------------------- */ 1Dq<{;rWb
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); bhD ~4Rz
/* --------------------------------------------- */ %:3'4;jh%
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); (ss3A9tG
/* --------------------------------------------- */ w$j{Hp6m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); DzC Df@TB"
/* --------------------------------------------- */ 6\4Z\82
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); l&L,7BX
RNTa XR+Zn
rVH6QQF=\
~-_i
看了之后,我们可以思考一些问题: gWOt]D/
1._1, _2是什么? #{$1z;i?f
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。 sw$2d
2._1 = 1是在做什么? H\E7o"m
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 %X>FVlPm
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 gO='A(Y
WULAty
f#$|t>
三. 动工
R_1qn
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ~U$":~H[
)JhT1j Qc
-#.< 12M
d
yh<pX/$
template < typename T > o5swH6Y.)J
class assignment iA'As%S1
{ bb;(gK;F
T value; bO3GVc+S
public : ~~nqU pK?v
assignment( const T & v) : value(v) {} JJ?I>S N!
template < typename T2 > ?^u^im
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } rkDi+D6`q
} ; u7s"0f`
GqLq gns
{6*#3m
Kk
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 +ZA)/
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ~$<UE}qp
CqFeF?xd8h
=dzWmL<~8
$DebXxJw0l
class holder kz B\'m,l
{ khx.yRx
public : raE
Mm
template < typename T > 19c@ `?
assignment < T > operator = ( const T & t) const "(`2eXRn
{ c2 A ps
return assignment < T > (t); (ChD]PWQ
} E.`6oX\L|
} ;
>&U@f
ST
Z]8cw
])w[
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: |=6_ xRyr
r37[)kJ
static holder _1; UDEj[12S
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 tfYB _N
|3shc,7
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); F~HRME;Z
而不用手动写一个函数对象。 BRS#Fl:
O_;Dk W
'<dgT&8C
R)5n 8
四. 问题分析 ^/@jwZ
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 w1`QIv
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 T2FE+ A]n9
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 6C [E
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 sOBu7!G%
下面我们可以对这几个问题进行分析。 A"uULfnk
pOT7;-#n
五. 问题1:一致性 KxzYfH
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| `~#<&w
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 =*Z5!W'd
4!.(|h@
struct holder ,q#0hy%5/
{ 2`?!+")
// 0w=R_C)s
template < typename T > W!T"m)S
T & operator ()( const T & r) const t2>fmQIQ
{ 7Nzbz3
return (T & )r; % 0T+t.
} #_i`#d)
} ; #8XL
:I
k@dN$O%p
这样的话assignment也必须相应改动: 7f{=w,
U
\ZI'|Ad
template < typename Left, typename Right > ;# uZhd
class assignment ?D`T7KSe~D
{ ?6^|ZtB
Left l; T,%j\0
Right r; K`g7$r)U[
public : 3g~'5Ao
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} _S}A=hK'
template < typename T2 > `aC){&AP(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } #,d I$gY
} ; =u[k1s?
Wb}c=hZv
同时,holder的operator=也需要改动: yQNV@T<o
P"/G
template < typename T > IZ/m4~
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 8s{?v&p
{ d5`3wd]]'v
return assignment < holder, T > ( * this , t); lQ' GX9hN@
} '' O 7=\
Dd/wUP
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。 r SkUSe6
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 p5r]J +1
06q(aI^Ch@
return l(rhs) = r; -G7TEq)
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。 2-N 'ya
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 4JGtI*%5lq
/U&Opo
{aO
template < typename Tp > Z;/$niY
class constant_t "pP^*9FrA
{ ~`M\Ir
const Tp t; 0'YG6(h
public : kE9esC3
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} !K
f#@0E..
template < typename T > xG&)1sT#-\
const Tp & operator ()( const T & r) const G s+3e8
{ Eow_WW;P
return t; l
vMlL5t
} hCjR&ZA
} ; ^.dsW0"0
W\&8auds
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 YG[;"QR
下面就可以修改holder的operator=了 #9-P%%kQ
(0YZZ93
template < typename T > SN7"7jo P<
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const SCvVt
{ N ,8/Y
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); =U%Rvm
} -K9c@?
p$Ox'A4
同时也要修改assignment的operator() 1cS}J:0P
8>,jpAN}r
template < typename T2 > (q+)'H%iK
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } OxI/%yv-c
现在代码看起来就很一致了。 QnZcBXI8
|7yAX+
六. 问题2:链式操作 .ZvM ^GJb
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ![]``g2
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。 i;LXu%3\
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 9FfU
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。 g35DV6
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Tq]Sn]CSP
=jB08A
template < typename T > [<DZ*|+
struct result_1 KD`IX-r{s
{ Fa'k0/_j
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; T!Hb{Cg*
} ; Og,$ sH}`
3|.um_
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: \jOA+FU[
bFe+m1Q_
template < typename T > _?OW0x4
struct ref r E}%KsZ
{ 1pArZzm>
typedef T & reference; ZovW0Q)m
} ; 4"gM<z
template < typename T > {} 3${
struct ref < T &> !O `(JSoG
{ ;\f gF@
typedef T & reference; E_vq
} ; s2Mb[#:a"
cSXwYZDx?
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: q
Y#n'&
?>I;34tL(
template < typename T > I'V4D[H5
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 0NS<?p~_S
{ /YZr~|65
return l(t) = r(t); E\Rhz]G(
} x>Zn?YR,"
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 NR`C(^}
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 {zMU#=EC
"?V0$-DR
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 |&RU/ a
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: N<~t3/Nm
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 28 ?\
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &l!4mxwr`
最后的布局是: <YdE1{fm
Add z^'gx@YD*v
/ \ S:h{2{
Divide 5 xai*CY@cQ
/ \ |Y?HA&
_1 3 z6*X%6,8
似乎一切都解决了?不。 r"P|dlV-
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。 eAE`#t
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。 7S}_F^
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: 0*f)=Q'
[ucpd
template < typename Right > '.:z&gSqx0
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const `{dm;j5/y
Right & rt) const &J+CSv,39
{ wne,e's}
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); LDPUD'
} `aciXlqIF
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Lm%:K]X
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。 @7IIM{
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。 `@`CG[-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。 3kybLOG
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。 E=nIRG|g
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? ?l9XAWt\
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: YNQY4\(
U/!TKic+
template < class Action > =vX/{C
class picker : public Action 'uBu6G
{ LY%WD%pL
public : PvPOU"
picker( const Action & act) : Action(act) {} GPN]9
// all the operator overloaded t'n pG}`tE
} ; yD zc<p\`
.P8&5i)'P,
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。 '=b/6@&
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: HiZ*+T.B
ZOh`(})hy
template < typename Right > p M4 :#%V
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const <M+|rD]oc
{ MTuV^0%jD
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); g6j?,c|y
} !>FYK}c7
Cd#(X@n
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 0X6YdW _2X
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。 xF!,IKlBBp
"\:`/k3
template < typename T > struct picker_maker q'T4w!V(V
{ +$ 'Zf0U
typedef picker < constant_t < T > > result; V?6a8lJ
} ; P3x8UR=fS
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > wr$("A(
{ 3lrT3a3vV
typedef picker < T > result; <cps2*'
} ; Sc]B#/~B
W=N+VqK
下面总的结构就有了: 'OITI TM
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 D+l AhEN
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ~~D{spMVO
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 8{^kQ/]'|
至此链式操作完美实现。 kMIcK4.MH
G/)O@Ugp
6AAz
七. 问题3 BtkOnbz8X
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 3#3n!(
`V}q-Zdy
template < typename T1, typename T2 > X-bcQ@Oj
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const r8`ffH
{ |mZxfI
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); p$S*dr
} ;AG8C#_
.]8ZwAs=&
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: d[iQ`YW5
g|o,uD
template < typename T1, typename T2 > qU \w=
struct result_2 Q*D;U[
{ qqjwJ!@P
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; `+]Qz =}
} ; (p" %O
4>wP7`/+y
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? OIGY`
这个差事就留给了holder自己。 Zu*F#s!tUI
m+=] m_
8SMxw~9$
template < int Order > {5Q!Y&N.%
class holder; E^B'4
template <> L^1NY3=$
class holder < 1 > (>LF(ll
{ ?tWaI{95I
public : Yj&F;_~
template < typename T > )v'WWwXY>
struct result_1 l0|5t)jF-
{ LP.]9ut
typedef T & result; .yoH/2h
} ; k$n|*kCh
template < typename T1, typename T2 > /J]5H
struct result_2 0Um2DjTCG
{ d-oMQGOklb
typedef T1 & result; A @i
} ; tm|ZBM
template < typename T > z<MsKD0Q
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const tR#OjkvX
{ '+@=ILj>
return (T & )r; &T#;-`'
} $zUP?Gq!
template < typename T1, typename T2 > KqHyG
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const em y[k
{ bTI|F]^!
return (T1 & )r1; ?e%ZOI
} lt/1f{v[:
} ; 1y:-N6
[F+}V,
template <> 'lH|eU&-
class holder < 2 > Ugr!"Q#M
{ %aP!hy
public : 0-B5`=yU
template < typename T > 9=s<Ld
struct result_1 ko!)s
{ kXViWOXU^
typedef T & result; EfqX
y>W
} ; [CY9^N
template < typename T1, typename T2 > &eJfGt5
struct result_2 pJ>P[
{ &j;wCvE4+
typedef T2 & result; ez7A4>/
} ; 2_>N/Z4T
template < typename T > {4l8}w
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const _?nL+\'V
{ ${DUCud,kY
return (T & )r; QRw"H 8nW
} VMZMG$C
template < typename T1, typename T2 > n3WlZ!$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const aHD]k8m z
{ pd?Mf=>#
return (T2 & )r2; G0Iw-vf
} M*0]ai|;
} ; &s(^@OayE
-oGdk|Yn
T9=I$@/
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 1Yq!~8
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: X;$+,&M"
首先 assignment::operator(int, int)被调用: _T60;ZI+^
'B|JAi?
return l(i, j) = r(i, j); 6%' QjwM_
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) MxKS4k
$z6_@`[
return ( int & )i; GblA9F7
return ( int & )j; Y/F6\oh
最后执行i = j; KR}?H#%
可见,参数被正确的选择了。 9+|$$)
KM,\
+w`2kv
w?L6!) oiz
b1I]>\
八. 中期总结 PrqlTT}Px
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: p%ki>p )E|
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 &$+AXzn
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ,~U>'&M;
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor x>K Or,f
G/E+L-N#`
&C_j\7Dq
cVv=*81\
v&\Q8!r_
w7L{_aom
九. 简化 \
#F
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。 +Ze}B*0
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 )D
O?VRI
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: iI T;K@&
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ,)cM3nu
+-*/&|^等 L(6d&t'|-R
2. 返回引用。 %uDi#x.
=,各种复合赋值等 gT.sjd
3. 返回固定类型。 C[cbbp
各种逻辑/比较操作符(返回bool) .^`{1%
4. 原样返回。 aqZi:icFa
operator, 7sCG^&Y
5. 返回解引用的类型。 [(i
operator*(单目) gjyYCjF
6. 返回地址。 P\tB~SZ*
operator&(单目) >58YjLXb
7. 下表访问返回类型。 [>I<#_^~
operator[] l:~/<`o
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 J3V=
46Yc
operator<<和operator>> uo9B9"&
ELoDd&