一. 什么是Lambda GEUg]nw
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 s#9Ui#[=h
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, #KlCZ~s
LPd\-S_rsP
oXsL9,
sBX-X$*N
class filler i]{1^pKq
{ bC!`@/
public : I^\&y(LJF
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} s"KJiQKGM
} ; FDzqL;I
|OO in]5
dq;|?ESP
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: HeGYu?&
U&Wwyu:4i
Hy:V`>
E>LkJSy=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Fh|#u:n
[(kB
5 a
qFX~[h8i+
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 +avMX&%
h"mi"H^o
{PU!=IkTS
_n8GWBi
二. 战前分析 N7r_77%m0
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 {]*x*aa\
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Vgb *% I
O43YY2
:,12")N
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); RrZM&lXY
/* --------------------------------------------- */ uP3_FX:
e
vector < int *> vp( 10 ); O=cxNy-I
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); <:>SGSE9
/* --------------------------------------------- */ bu7'oB~:V^
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); =;a!u
/* --------------------------------------------- */ Cb t{H}I3
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 8M*PML4r
/* --------------------------------------------- */ [S]S^ej*8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); sxKf&p;
/* --------------------------------------------- */ 5<pftTcZ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); hVT~~n`Rj
\6?A!w~6
\@3Qi8u//
=o}"jVE
看了之后,我们可以思考一些问题: sbkQ71T:
1._1, _2是什么? kd:$oS_*s
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。 .o1^Oh
2._1 = 1是在做什么? &c(WE
RW?-
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。 4(neKr5\#
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。 HmfG$Z
87)zCq
hv 6@Jr3
三. 动工 #*$P'r
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: SVlua@]ChU
P7ph}mB
J`q]6qf#
2$_9cF Wm
template < typename T > n%R;-?*v
class assignment _zt19%Wg
{ EV#MQM
T value; "'8KV\/D
public : jV#ahNq;
assignment( const T & v) : value(v) {} CycUeT
template < typename T2 > `b8v1Os^2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } (>6*#9#p
} ; >&g}7d%
nVu&/
SvN9aD1
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 B/5=]R
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment QB:i/9
ms($9 Lv/
ZKQ hbNT
*19ax&|*S
class holder EM7+VO(
{ lnovykR
public : kyAXRwzI
template < typename T > Zh5RwQNE~
assignment < T > operator = ( const T & t) const gH2,\z`[4
{ 6.5T/D*TT
return assignment < T > (t); ;!o]wHmA
} i{!T&8
} ; jENr>$$
G*S|KH
=X?\MVWB
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: =.y*_Ja
hjO*~
static holder _1; `X,yM-(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 r1ws1 rr=
j8|g!>Nv
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); h/x0]@M&
而不用手动写一个函数对象。 g}laG8
2=?tJ2E
&t5{J53
U yw-2]!n
四. 问题分析 /h v4x9
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。 IHgeQ F
~
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。 kc/{[ME
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 )CX4kPj
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 W4;m H}#0
下面我们可以对这几个问题进行分析。 qH"Gm
1_$xSrwcF
五. 问题1:一致性 c`x7u}C
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| q P ;A}C
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 xoB},Xl$D
"o& E2#
struct holder ;X ,1I
{ >pkT1Z&'
// sBv>E}*R
template < typename T > TwyM\9l7
T & operator ()( const T & r) const +7Kyyu)y@
{ Qr#1 u
return (T & )r; Z -%(~
} n6F/Ac:
} ; ,(a5 @H$f
1GEK:g2B
这样的话assignment也必须相应改动: "QoQ4r<|
P#v*TD'
template < typename Left, typename Right > \yrisp#`
class assignment )o!XWh
{ P)dL?vkK
Left l; [6jbgW~E
Right r; Qy#)Gxp
public : 2?@j~I=s2h
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} R E1/"[t
template < typename T2 > i`
A
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } U=bEA1*@0
} ; F#xa`*AP
4Z[V uQng
同时,holder的operator=也需要改动:
4eVI},
s?WCnT
template < typename T > Hy{
Q#fq
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ^s\3/z>b4!
{ ctQbp~-
return assignment < holder, T > ( * this , t); ]j>i.5
} ryO$6L
fpM#XFj
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。 9^P2I)aD
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 -6Tk<W
l2b{u
GE
return l(rhs) = r; 5p?!ni9
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。 \(I6_a_{
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: c*\<,n_
EjEFg#q
template < typename Tp > QzGV.Mt2
class constant_t IL7`0cN(
{ {u7##Vrgt8
const Tp t; >5~7u\#9
public : G,&%VQ3P>
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} zIQzmvf
template < typename T > HU
B|bKy
const Tp & operator ()( const T & r) const ? y},,
{ ]pTvMom$6
return t; 'p)Q68;&
} Z\X'd_1!
} ; h?@G$%2
3bC
yTZk
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 jRkC/Lw
下面就可以修改holder的operator=了 .R44$F
p5c8YfM
template < typename T > #;9H@:N
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const g=]&A
{ ,W5.:0Y;f[
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ^Uw[x\%#gD
} <FFJzNc+
bk#xiuwT
同时也要修改assignment的operator() ph30'"[Z}
T)u4S[
&
template < typename T2 > ;M
v~yb3v
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2V#6q,2
现在代码看起来就很一致了。 =7[)'
g%J./F=@3
六. 问题2:链式操作 irxz l3
现在让我们来看看如何处理链式操作。 4~?2wvz G4
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 Unl?fXI
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 yM$J52#d#
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。 /MMtTB
H
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct * UcjQ
B<
;==|
template < typename T > f>iuHR*EXB
struct result_1 +7lRP)1R
{ hX'z]Am<
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; t9$AvE#a!=
} ; Y7b,td1
BW;=i.
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: I!0 $%
]F
l<)JAT;P
template < typename T > Kjca>/id
struct ref gQ+_&'C
{ EBn:[2
typedef T & reference; "*>QxA%c4
} ; Rp@}9qijb
template < typename T > 1XKIK(l
struct ref < T &> Zo6a_`)d
{ _f2iz4
typedef T & reference; O!cO/]<
} ; AE@Rn(1.
C&K(({5O
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: RozsRt;i
.h }D%Qa
template < typename T > iTyApLV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const hj[g2S%X
{ eS+LFS7*k
return l(t) = r(t); ~~
w4854
} od|.E$B
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。 !pXz-hxKT
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1A
*8Jnw
{hR23eE)#
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 <>GyG-q
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Melc-[
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 C<)&qx3
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Sn,z$-;h;
最后的布局是: >aK&T"
Add P&VI2k
/ \ ZvJx01F{
Divide 5 ^~od*:
/ \ pcG q
_1 3 .BvV[`P
似乎一切都解决了?不。 j|9 2
g
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。 ]F,5Oh :OY
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。 {R(q7ALR
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: RP6QS )|
4!D!.t~r
template < typename Right > |= ~9y"F
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const rN
OwB2e
Right & rt) const VF;%Z
{ (zte 'F4
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); <\Lii0hi!
} SK#;/fav6
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 rMUn ~
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。 w_PnEJa9
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。 sZA7)Z`7
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。 p{NVJ^!+
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。 -6@#Nq_iWU
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? K8daSvc
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: \9jEpE^Ju(
u8 Q`la
template < class Action > f
}P6P>0T
class picker : public Action !UDTNF?1
{ SN'j?-
public : 0M-=3 T
picker( const Action & act) : Action(act) {} n Hz Xp:"
// all the operator overloaded f@rR2xZoQ
} ; 0QcC5y;
wO.T"x%X
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"k1N9
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: +~Wg@
v)1@Ew=Y%
template < typename Right > h6`v%7H?
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 3qggdi
{ >{R+j4%
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4sMA'fG
} o+*7Q!
m?GBvL$
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > @` 5P^H7
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。 /#TtAkH
V96:+r
template < typename T > struct picker_maker m9Xauk$(
{ +@G#Z3;l!
typedef picker < constant_t < T > > result; <Ukeq0
} ; o@2Y98~Q}
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > S3Dmc\f
{ 0Sx$6:-~
typedef picker < T > result; ]ZTcOf
} ; M-Y0xWs
5 [4Z=RP
下面总的结构就有了: A
W)a">|
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 cOkgoL" 4
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 F6W}mMZH/N
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 'S?;J ,/
至此链式操作完美实现。 s*Ih_Ag=:
iITp**l
`U{mbw,
七. 问题3 #dc1pfL!y{
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 %9o+zg? RJ
.+E#q&=
template < typename T1, typename T2 > qzK("d
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const =-~;OH/
{ We}lx{E
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); '# z]M
} v7IzDz6gF
5j{Np,K
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: gWrAUPS[
zX kx7d8
template < typename T1, typename T2 > ^7aN2o3{
struct result_2 +y&d;0!
{ K>1X}ZMdD(
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; rg5]&<Vq8
} ; )"`!AerJ
W#XG;
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? phP>3f.T
这个差事就留给了holder自己。 9`"DFFSMS
B9X8
k\N4@UK
template < int Order > YQgNv` l}
class holder; 0oU=RbC
template <> LdTdQ,s<
class holder < 1 > x*}bo))hb
{ [pgZbOIN37
public : KJh,,xI>by
template < typename T > R$m`Z+/@
struct result_1 %f&< wC
{ .Q>!B?)
typedef T & result; 1S$h<RIPAc
} ; V 0{tap}
template < typename T1, typename T2 > lBA +zZ
struct result_2
xh0 xSqDM
{ u&]vd /
typedef T1 & result; o a<q /
} ; 4MW ]EQ-
template < typename T > ^Jx$t/t
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const lKV"Mh+6
{ SKXD^OH
return (T & )r; uDayBaR
} ijUzC>O+q
template < typename T1, typename T2 > 4TRG.$2[
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Llz['"m
{ .T.5TMiOSq
return (T1 & )r1; {G*QY%j^
}
cd. brM
} ; H+ZSPHs
S~F`
template <> {3edTu
class holder < 2 > y' x F0
{ 8SmjZpQ?
public : w+AuMc
template < typename T > B0)]s<<
struct result_1 vR hnX
{ ~OFvu}]
typedef T & result; 7_\Mwy{P
} ; Fhj8lVvk
template < typename T1, typename T2 > k%Vv?{g
struct result_2 F0dI/+
{ 0SV \{]2
typedef T2 & result; BzbDZV
} ; TD,nIgH`
template < typename T > rVryt<2:@r
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const kE)!<1yy2
{ 3y`F<&sA
return (T & )r; H;KDZO9W
} Ax<\jW<
template < typename T1, typename T2 > t[C1z
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const @}LZ! y
{ Nhf~PO({&
return (T2 & )r2; [ygF0-3ND
} oXY Moi
} ; `T WN^0!]
e%6{ME
3
<,8l *1C
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> >。 45+{nN[
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: eti`O
首先 assignment::operator(int, int)被调用: )ly
^Ox
\cySWP[
return l(i, j) = r(i, j); jX
*/piSq
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Vb4;-?s_
$aP(|!g
return ( int & )i; y!Cc?$]_Y
return ( int & )j; j$@tK0P
最后执行i = j; Dgi~rr1`'s
可见,参数被正确的选择了。 ;5S}~+j
!9Xex?et
~kFRy {z
|,f6c
Omf
Ps-d#~4U;
八. 中期总结 Y^f|}YO%y
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: p 1fnuN |,
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 [a6lE"yr
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 G_o4A:2
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor LRgk9*@,
L2tmo-]nw
ThB2U(Wf
5Ep
3g?T,|2K
Vt>E\{@[t
九. 简化 ;T(^riAEl
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 W`kgYGnFG
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 JJO"\^,;~
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: {[dqXG$v `
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 0eIR)#j*
+-*/&|^等 }%|OnEk"
2. 返回引用。 U[u6UG
=,各种复合赋值等 U)6JJv
3. 返回固定类型。 W3kilhZ
各种逻辑/比较操作符(返回bool) a WC
sLH
4. 原样返回。 &kt#p;/p?
operator, B7C6Mau
5. 返回解引用的类型。 =X):Zi
operator*(单目) P n DZi
6. 返回地址。 >~:]+q
operator&(单目) fk_i~K
7. 下表访问返回类型。 s,8%;\!C
operator[] MvA_tRO
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 7[PXZT
operator<<和operator>> LgYzGlJp
k5/}S@F8
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。 "`wq:$R
例如针对第一条,我们实现一个policy类: /:)4tIV
r}w 9?s^rB
template < typename Left > Hqk2W*UTl
struct value_return O)?0G$0
{ bE{`g]C5
template < typename T > 'S\H% -
struct result_1 uB?YJf .T@
{ 6>Fw,$
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; )/Vr 5b@
} ; go@}r<