一. 什么是Lambda :8@eon}
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Zlh 2qq
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@S4<R1{\
2
'D,1F
/Z!$bD
5/i/.
0?n
class filler 0bc>yZ\R
{ "+Ys}t~2
public : _u u&? <h
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 3N+B|WrM
} ; j[FB*L1!D
b]Kb ~y|
9L3P'!Z
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: WLwi
eyp_.1C~
IDD`N{EA
2yZ~j_AF[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); m ie~.
"
XTk
:lzFH
|2n*Ds'
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 im9EV|;
WAR!#E#J7
$'_Q@ZBq
xgj'um
二. 战前分析 p-)@#hE
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。 pX*E(Q)@!
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 3D!7,@&>3
$ta JVVF
4&%H;Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); \}u/0UF97
/* --------------------------------------------- */ (Cq 38~mR
vector < int *> vp( 10 ); p{W
Amly
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); yufw}Lo-
/* --------------------------------------------- */ +J;b3UE#
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); +;,J0,Yn
/* --------------------------------------------- */ WQ.{Ag?1
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); t?)]xS)
/* --------------------------------------------- */ %mU$]^Tw(
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 1@ &J"*
/* --------------------------------------------- */ dmv0hof
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &08dW9H
Lb<IEy77\
x|Pz24yP9
IemhHf ^l
看了之后,我们可以思考一些问题: 4q7H
1._1, _2是什么? 4|I;z
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。 ;r~1TUKb
2._1 = 1是在做什么? %saP>]o
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。 }qoId3iY!7
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。 r(Z?Fs/
)4s7,R
"(p /3qFY
三. 动工 7 kA+F+f
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ~vA8I#.
KU{zzn;g
sb3z8:r
`MCtm(<
template < typename T > 3fpaTue|x
class assignment ]+a~/
{ I3r")}P
T value; O;V^Fk(
public : ~xc/Dsb$
assignment( const T & v) : value(v) {} &[j9Up'
template < typename T2 > ')yYpWO
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Vj1V;dHv
} ; ~}d\sQF.
$M0l
(htR
.57Fh)Y
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 "q= ss:(
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ?SO!INJ
8%YyxoCH
M=ag\1S&ZF
"$J5cco
class holder Yy]TU} PY
{ 7BwR ].
public : :OjmaP
template < typename T > YIZu{
assignment < T > operator = ( const T & t) const {{_v.d~1
{ RFFbS{U*
return assignment < T > (t); edcz%IOM(
} ,ZrR*W?iF
} ; uqI'e_&=&5
p<0=. ~
>?ar
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: Hf1b&8&:K
f_LXp$n
static holder _1; \<xo`2b
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 )16+Pm8
5Uy*^C7M^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); UY({[?Se
而不用手动写一个函数对象。 LY)Wwl*wc
S *J{
J@<f*
%(6+{'j~#
四. 问题分析 W)]&G}U<
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 p$x>I3C(\
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。 I8T*_u^_
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Ah@e9`_r
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 [Y.JC'F#
下面我们可以对这几个问题进行分析。 g$"x,:2x{
'-n
Iy$>
五. 问题1:一致性 F !OD*]
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?| `^on`"\{u
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 :6)!#q'g
\nuzl
struct holder 3_boEYl0
{ Y?0x/2<
// JBOU$A~
template < typename T > }aa]1X(u
T & operator ()( const T & r) const /g9^g(
{ R)$]r>YZF
return (T & )r; <Z_\2
YWA
} ;@gI*i
N"
} ; cL.>e=x$
m1]/8{EC7
这样的话assignment也必须相应改动: o%z^@Cq
RL]$"
template < typename Left, typename Right > Xg1TX_3Ml
class assignment a_[+id
{ 4Wa$>vz
Left l; l :u1P
Right r; IDqUiN
public : vR5X
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 1|>vk+;1h
template < typename T2 > ;O~FiA~`c
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } F g):>];<9
} ; ('j'>"1H
z(O*DwY#
同时,holder的operator=也需要改动: x30|0EHYl[
A0;{$/
template < typename T > fU%Ys9:wU
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const =s'H o
{ {|<r7K1<
return assignment < holder, T > ( * this , t); 7.2 !g}E
} Zs3xoIW7Ai
;QCGl$8A
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。 =u0a/2u|
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 VJW8%s[
@V1FBw9S!@
return l(rhs) = r; Ygg(qB1q
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。 QKvaTy#
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: uX{g4#eG
TPkP5w
template < typename Tp > A~k:
m0MX
class constant_t 7TypzgXNe
{ vmfFR
const Tp t; [4B(rra
public : vfhoN]v
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} glM42s
template < typename T > S;8=+I,
const Tp & operator ()( const T & r) const <~v4BiQ3l^
{ 6MU;9|&
return t; +:70vZc:V@
} A>S7Ap4z>
} ; 7oUo [
Rw[!Jq
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 {(F}SF{
下面就可以修改holder的operator=了 aWLA6A+C&
&\6(iL
template < typename T > SLN OOEN
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ]0%{IgB
{ F`,bFQ
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); myOW^
} ^Df qc-]
A93(} V7I
同时也要修改assignment的operator() 6wq%4RI0
p`U#
template < typename T2 > lq`7$7-4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } @V Tw>=94
现在代码看起来就很一致了。 Vz!{nL0Q(
MDd2B9cy[
六. 问题2:链式操作 I7|a,Q^f
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ev/)#i#s{
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 R&P^rrC@B5
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ?aTC+\=
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 CJ)u#PmkJ
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct *?Wr^T
]eFNR1<OP
template < typename T > km
lb,P
struct result_1 a #p`l>rx
{ /Q#eP m
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; l 8GAZ*+
} ; KiC,O7&<
c1*^
\
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: "8(8]GgYx
XIM?$p^
template < typename T > YxU->Wi]G
struct ref ~ \u>jel
{ Z~|%asjFE
typedef T & reference; ~e){2_J&n
} ; yC|odX#
template < typename T > w`#9Re
struct ref < T &> SwrzW'%A
{ B*QLKO:)i
typedef T & reference; i#4E*B_-
} ; 2#UVpgX?
vZ=dlu_t
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: u^VQwu6?G
d]E.F64{
template < typename T > += gU`<\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const we*E}U4
{ >w\3.6A
return l(t) = r(t); 7vGAuTfi/@
} Yc5)
^v
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。 EF 8rh
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 w5Ucj*A\
U}<zn+SI#V
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 $Nj'_G\}
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: />PH{ l
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 8N#.@\'kz.
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 >7W8_6sC<
最后的布局是: Di$++T8"
Add [$\VvRu%
/ \ :FS~T[C;
Divide 5 ~"R;p}5"
/ \ ukD:4sv
_1 3 l]IQjjJ`
似乎一切都解决了?不。 W7 T2j+]
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 *tDxwD7
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 .^rsVNG
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: =`V9{$i
S^i<_?nwg
template < typename Right > MP
Q?Q]'
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const bD1IY1
Right & rt) const 8 }Maj
{ i^}DIx{
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :pP l|"
} $f6wmI;<y
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ~}K$z
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。 >lO]/3j1
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。 #CB`7}jq
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。 ;,B $lgF
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 0qN?4h)7
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? a)/ }T
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: !T]bz+
GM@0$
template < class Action > 0IbR>zFg.
class picker : public Action oi^pU
{ U,~Z 2L
public : sbFA{l3
picker( const Action & act) : Action(act) {} nh"LdHqiDB
// all the operator overloaded %#lJn.o
} ; j5 W)9HW:
il:RE8
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。 vH?3UW
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: YJ 01-
<gY.2#6C\%
template < typename Right > ?NUDHUn_
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const iN+&7#x;/
{ 8d>>r69$pa
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Aq &H-g]s
} jsw0"d(
F8*P/<P1cK
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > qI1JM =
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 lXrAsm$
sYyya:ykxT
template < typename T > struct picker_maker +~EFRiP]
{ <%LN3T
typedef picker < constant_t < T > > result; I h 19&D
} ; t^<ki?*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Q\Nz^~dQ:Y
{ >xm:?W R
typedef picker < T > result; G:|=d0
} ; D{,
b|4
Z%Yq{tAt
下面总的结构就有了: e?XQ,
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。 Hl*/s
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。 V#d8fRm
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 6vZ.CUK9
至此链式操作完美实现。 _/a8X:[(
Ap%tm)@1
2E=vMAS
七. 问题3 inv 5>OeG
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。 uJt*> ;Kp
.!h`(>+@
template < typename T1, typename T2 > X}j_k=, C
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 0tah$;c
e
{ }!5+G:JAh
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]1i1_AR'`
} XZ1<sm8t."
=:7OS>x
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: &^b mZj!
An3%@;
template < typename T1, typename T2 > c
UHKE\F
struct result_2 Bpl(s+
{ ~HyqHxy
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; J~1=?</
} ; aECQ(]q
0HS"Oxx'
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? >=3ay^(Y2D
这个差事就留给了holder自己。 ^/v!hq_#%&
;,jms~ik
3h>56{P
template < int Order > :~dI2e\:
class holder; + |d[q?
template <> PLDp=T%
class holder < 1 > p |xMXoa`
{ kX:d?*{KB
public : ugMfpT)
template < typename T > 81/t)Cp
struct result_1 %DF-;M"8
{ C\C*'l6d
typedef T & result; M}b[;/~
} ; Zjkrne{
template < typename T1, typename T2 > %:7fAB,PA
struct result_2 " ll
TVB
{ 4"y1M=he
typedef T1 & result; `q(eB=6;[
} ; :7Smsc"B!
template < typename T > y6 _,U/9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Nh/B8:035
{ q8e34Ly7
return (T & )r; CLX!qw]@ +
} >ay%
!X@3"
template < typename T1, typename T2 > IA?v[xu
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const b#z{["%Zp
{ M?zwXmTVW0
return (T1 & )r1; ]W>kbHImz
} 9 54O=9PQ
} ; )M(-EDL>Qk
2 K&5Kt/
template <> W_P&;)E
class holder < 2 > BD (
{ @
wJ|vW_.
public : j_2yTz"G-
template < typename T > '-5Q>d~&h
struct result_1 auV<=1<zJ
{ pSlosv(6
typedef T & result; bB`p-1
} ; MZInS:Vj
template < typename T1, typename T2 > f)/5%W7n}
struct result_2 =]yzy:~ey
{ {E+o+2L
typedef T2 & result; !XJS"o wr
} ; } :8{z`4H
template < typename T > vpl>
5 %
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 3BWYSJ|
{ w-M,@[G
return (T & )r; z&r@c-l@
} ES&"zjr$
template < typename T1, typename T2 > fmQ`8b
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const S>s{t=AY~
{ %RF9R"t$
return (T2 & )r2; {[%kn rRJ
} r.T!R6v}
} ; !E+. (
g1TMyIUt[
Tf1G827
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> >。 bx&?EUx+b
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ndU<,{r
首先 assignment::operator(int, int)被调用: [b<AQFh<c
`96PY!$u
return l(i, j) = r(i, j); K_X10/#b&
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Pa-p9]gq
Lupug"p0
return ( int & )i; 5D#Mhgun
return ( int & )j; y6*9, CF
最后执行i = j; 6+hx64 =
可见,参数被正确的选择了。 gwyHDSo8:a
b^~"4 fU
!.nyIA(
N-O"y3W}
fxKhe[;
八. 中期总结 Dy[_Ix/Y,
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: Anu`F%OzB
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ;m[-yqX
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 i)pAFv<$,
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor H3{FiB]
%kRQ9I".
)Kw
Gb&l&
LyB &u()
^t{2k[@
.0b$mSV[
九. 简化 KDODUohC
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 d?uN6JH9
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ogrh"
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: PfRe)JuB
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 "ApVgNB
+-*/&|^等 8IX,q
2. 返回引用。 7;T6hKWV[
=,各种复合赋值等 JXKqQxZ[X
3. 返回固定类型。 XpLK0YI
各种逻辑/比较操作符(返回bool) r#xq 8H=_m
4. 原样返回。 T3W?-,
operator, Jbrjt/OG#I
5. 返回解引用的类型。 p*_^JU(<p
operator*(单目) ksB-fOv*N
6. 返回地址。 a2MFZe
operator&(单目) im6Rx=}E{
7. 下表访问返回类型。 9Rg|o CP_
operator[] cy6lsJ"?
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 5A~lu4-q
operator<<和operator>> HoIK^t~VT#
TC%ENxDR
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 %xq/eC7
例如针对第一条,我们实现一个policy类: {xzs{)9|Y4
y p}a&Dg
template < typename Left > BmP!/i_
struct value_return +l "z
{ v7ShXX:
template < typename T > OcBKn=8
struct result_1 |H LU5=Y
{ xKl!{A9$w
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; C{r Sq
} ; ,o3{?o]s
X<OOgC
template < typename T1, typename T2 > {O4y Y=G
struct result_2 g=T
!fF=
{ U;l!.mze
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; j~IX
} ; /R2K3E#
} ; W.fsW<{4j
1I{^]]qw
B`Q~p92
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait z)Is:LhS
jgfl|;I?pg
下面我们来剥离functor中的operator() ;U02VguC
首先operator里面的代码全是下面的形式: nsRZy0@$t
wstH&^
return l(t) op r(t) O$2= Z
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ]CFh0N|(L
return op l(t) nbVlP
return op l(t1, t2) b xU13ESv
return l(t) op PW[NW-S`c
return l(t1, t2) op `H_.<``>
return l(t)[r(t)] P2q'P&
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] `pHlGbrW
LZ97nvK
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: km)5?
单目: return f(l(t), r(t)); &rcC7v K9
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); /ynvQ1#uA
双目: return f(l(t)); >8pmClVvmR
return f(l(t1, t2)); "o=*f/M
下面就是f的实现,以operator/为例 A1mxM5N
)@X
`B d
struct meta_divide X/5\L.g2
{ Z`?Z1SBt
template < typename T1, typename T2 > &_