一. 什么是Lambda a F%V
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 =w2_1F"
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, R/?ZbMn]!
X^9eCj;c
&M*f4PeXb
^Bu55q
class filler y sFp`
{ [WW ~SOJe
public : (I\qTfN4
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} QB L| n+
} ; iuS*Vw
)T!3du:M
l&oc/$&|[
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: }<qT[m
NH0uK
~(K{D
D7[N
9jW"83*5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); #0'%51Jcl
#7|73&u(
k07pI<a?
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 D%!GY1wdn
^]ig*oS\`
"]ZDs^7
xDEjeM G
二. 战前分析 t(:w):zE
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ;T*o
RS
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 <T+{)FV
-&JQdrs
-SN6&-#c_
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); _FtsO<p)"
/* --------------------------------------------- */ QI*<MF,1
vector < int *> vp( 10 ); ,WQg.neOA
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); v]X*(e
/* --------------------------------------------- */ K410.o/=-
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); xvTz|Y
/* --------------------------------------------- */ h"t\x}8qq
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); vk.P| Y-;
/* --------------------------------------------- */ VQl(5\6O
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ,'&H`h54
/* --------------------------------------------- */ JUdQ Q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); #VynADPs`o
/nB|Fo_&Q
_BHEK
^vha4<'-qG
看了之后,我们可以思考一些问题: e]-%P(}Z
1._1, _2是什么? oUx%ra{
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 2./;i>H[u
2._1 = 1是在做什么? YuFR*W;$
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。 W$Sc@!M3{
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 MZ"|Jn
Usq.'y/o
Q?/qQ}nNw
三. 动工 jj6yf.r6c
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类:
e"&QQ-q
njckPpyb@
M$U Zn
X}B]0z>
template < typename T > ;bRyk#
class assignment {B[ }}wX$
{ Nx=rw h
T value; x4-_K%
public : =Hx]K8N )
assignment( const T & v) : value(v) {} f[wxt n'r
template < typename T2 > 52t6_!y+V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } *cAI gO7
} ; RZP7h>y6@
/_</m?&.U&
I'0{Q`}
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 l;i/$Yu7
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment -mw`f)?Ev
#Fz/}lO
M.\V/OX
Cf>(,rt};
class holder I`;SA~5
{ 7>
8L%(7
public : 58P[EMhL
template < typename T > XeX`h_
assignment < T > operator = ( const T & t) const uYC1}Y5N
{ nYE%@Up
return assignment < T > (t); OXI>`$we
} ;b!qt-;.<
} ; p v]" 2'aQ
SM\qd4
i>e?$H,/
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: %S/?Ci
EO%"[k
static holder _1; '9!J' [W
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 J?C:@Q
Vrs?VA`v$
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); qyP={E9A
而不用手动写一个函数对象。 5i+cjT2
U=PTn(2
^@^K
<SVc
`T{'ufI4B
四. 问题分析 hlmeT9v{
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。 @MO/LvD
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。 V.Tn1i-v
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 PU8dr| !
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。
fj'7\[nZ
下面我们可以对这几个问题进行分析。 )3k?{1:
<QD[hO^/
五. 问题1:一致性 JJK-+a6cX
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?| Rqr>B(|
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 rFaG-R
ty'/i!/\
struct holder 2'u%
{ fZrh_^yH
// LGK@taw^
template < typename T > _!,Ees=b
T & operator ()( const T & r) const ^h^.;Iqr=
{ in6*3C4
return (T & )r; (eSsx/
} ")<5VtV
} ; /36gf
%j.n^7i]^:
这样的话assignment也必须相应改动:
\440gH`
h"nhDART<
template < typename Left, typename Right > R3%%;` c=
class assignment *wx95?H0Z
{ ERia5HnoD,
Left l; Zz"8
Right r; EjMVlZC>
public : 4w)>}
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 5Dzf[V^]`
template < typename T2 > $ ^@fV=e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } S=\cF,Zs
} ; D -d
x#gZC1$Y
同时,holder的operator=也需要改动: nW}jTBu_K+
i%[+C
template < typename T > [+Fajo;0
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const a~ dgf:e`
{ !o1IpTN
return assignment < holder, T > ( * this , t); 83 <CDjD
}
HQ]mDo
HLOrDlj7
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 f;AI4:#I
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 7hTpjox2
?Yzw]ag.
return l(rhs) = r; d::9,~
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 OTl9MwW
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: .>z1BP:(
YgdQC(ib
template < typename Tp > "blq)qo)
class constant_t lV$CBS
{ )K$YL='kX
const Tp t; ;dPaWS1D
public : U!NuiKaQ26
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} zXD/hM
template < typename T > h8X[*Wme
const Tp & operator ()( const T & r) const XwFTAaZ
{ .]s? 01Z
return t; *@p"
} s1h|/7gG
} ; }0tHzw=#%e
4.^T~n G
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 #:By/9}-
下面就可以修改holder的operator=了 xy
b=7
mP Hto-=fB
template < typename T > c@Br_-
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const .$7RF!p
{ bX$1PYX
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); a"Xh
} NU3TXO
z~3GgR"1d
同时也要修改assignment的operator() `+rwx
AwjXY,2
template < typename T2 > ZuybjV1/f6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } H(gY=
现在代码看起来就很一致了。 I;-Y2*
oyr b.lu/
六. 问题2:链式操作 QkC*om'/!
现在让我们来看看如何处理链式操作。 v0VQ4>
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。 @&Z^WN,x
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。 : NA(nA
3
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。 3UaW+@
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct qZ'2M.;
qxDMDMN
template < typename T > "T{WOGU+
struct result_1 Km
$o@
{ 1Y*k"[?dW
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; yQMwt|C4
} ; Zp^O1&\SK?
)obgEJ7Y`l
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: H`'a|Y
w7.,ch
template < typename T > 1Acs0`3
struct ref ?'Hd0)yZ
{ l
_%<U
typedef T & reference; bm 4RRI
} ; g4b#U\D@)/
template < typename T > IdN3Ea]
struct ref < T &> |Y05 *!\P*
{ mvK^')
typedef T & reference; 7P<f(@0h$E
} ; /'aqQ
K<
(Hj[9[=
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ;Mo_B9
p]EugLEmG
template < typename T > \*=wm$p&*
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 9?MzIt
{ J@2wPKh?Yp
return l(t) = r(t); |Z94@uB
} )~)l^0X
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Ht4O5yl"
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 X!K> .r_Dg
`(h^z>%
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 nAWb9Yk
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: n0T|U
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ~ HhB@G!3
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #Zw:&'
QB
最后的布局是: Bh'fkW3
Add @,GL&$Y:W
/ \ :>JfBJ]|
Divide 5 P*BRebL:
/ \ lYCvYe
_1 3 7)V"E-6h
似乎一切都解决了?不。 'I&0$<
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。 F5RL+rU(h
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。 T>'O[=UWh
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: !IdVg $7
_wK.n.,S~
template < typename Right > On}1&!{1]
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const /uX*FZ
Right & rt) const xws{"m,NX~
{ /nQuM05*Z
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 6" * <0
} OQ hQ!6
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 T2S_>
#."l
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 PXYLLX\3
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 cJaA*sg
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 k:Y\i]#yP
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 O^`EuaL
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 0S$k;q
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: (&Rk#i U
2
NGSts\D'}
template < class Action > t&?{+?p:
9
class picker : public Action qWheoyAB
{ k\.9iI'6
public : t_jn-Idcf
picker( const Action & act) : Action(act) {} Rtz~:v%
// all the operator overloaded Bh2l3J4X
} ; <[)-Q~Gg5
W&Fm;m@M
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。 9GH5
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: vvv'!\'#
N'VTdf?
template < typename Right > P.XT1)qo*
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const T,/rC{
{ 'wk,t^)
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?'6@m86d
} I?}jf?!oM
F1stRZ1ZI
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > {WrEe7dLy
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。 0fXMY-$I
K 77iv
template < typename T > struct picker_maker G-T^1?
{ * )<+u~
typedef picker < constant_t < T > > result; >|A,rE^Ojt
} ; S[3"?$3S
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ,~naKd.ZY
{ e9{0hw7
typedef picker < T > result; dgpE3
37Lt
} ; !2KQi=Ng
~dr,;NhOLJ
下面总的结构就有了: hJ{u!:4
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 N9_* {HOy
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 dYrgL3'
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ud`-w
至此链式操作完美实现。 ]##aAh-P4&
C*b[J
*uyP+f2O
七. 问题3 #
-luE
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ]qT&6:;-]
U<w8jVE
template < typename T1, typename T2 > H KrENk
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const "iK=
8
{ =4eJ@EVM
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6P{^j
} ?Tc#[B
E)$>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: *I(6hB
Mqd'XU0L
template < typename T1, typename T2 > I@KM2KMN
struct result_2 - j3Lgm
{ ^<OYW|q?\r
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; (NvjX})eh
} ; PK2;Ywk`
6h>#;M
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? ;bB#Pg
这个差事就留给了holder自己。 hi[nUG(OI
'|SO7}`;Q
G(a5@9F
template < int Order > R|C`
class holder; tr<fii3<
template <> `HRL .uX
class holder < 1 > e%JIqKS
{ eT".psRiC
public : skcyLIb
template < typename T > A O:F*%Q u
struct result_1 H[~ D]RG}'
{ h:8P9WhWF
typedef T & result; @A1f#Ed<
} ; e3 v^j$
template < typename T1, typename T2 > "u^Erj# /
struct result_2 2PlhnU Q7
{ ;_bRq:!j;
typedef T1 & result; $ZI]
} ; G]ek-[-
template < typename T > r
W`7<3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const f7_(C0d
{ Nnh\FaI
return (T & )r; 7
XxZF43
} *-9i<@|(U^
template < typename T1, typename T2 > wG,"X'1
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const :|W=2(>
{ DJ"PP5d
return (T1 & )r1;
I<D#
} \AwkK3
} ; "A}sD7xy9
^N/d`IAjv
template <> qk<jvha
class holder < 2 > :PT{>r[
{ R0RxcBtG
public : 8 MO-QO
template < typename T > hBX*02p
struct result_1 /2?
CB\
{ ^K<3_D>1>
typedef T & result; 0>od1/`
} ; YCDH 0M
template < typename T1, typename T2 > B.; qvuM~
struct result_2 #sw4)*v
{ Y$ jX
typedef T2 & result; a.V5fl0?I@
} ; G3Dg B!
template < typename T > J#$U<`j*G
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const I}_}VSG(
{ ;stjqTd
return (T & )r; { U;yW)
} |6Q5bV
template < typename T1, typename T2 > 1sHjM%
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /JS_gr@DK
{ c& ;@i$X(
return (T2 & )r2; @5^&&4>N
} i47LX;}
} ; HEVjK$
D./{f8
GeP={lj
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> >。 O^cC+@l!4
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: qnp}#BZ
首先 assignment::operator(int, int)被调用: n<C]
6H
<L]Gk]k_R
return l(i, j) = r(i, j); ?0; 2ct
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) TaRPMKk
VW\S>=O99
return ( int & )i; b$b;^nly
return ( int & )j;
WwB_L.{
最后执行i = j; [OCjYC`
可见,参数被正确的选择了。 e{E\YEc
2fTuIS<yr
86=W}eV1r
blQ&QQL
i%FC
lMF
八. 中期总结 MDF_Xr-hZ
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: O(/~cQ
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 b&P)J|Fe
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。
JQQ[jl;
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ,'0#q
v%:deaF
E<jajYj
xq((]5P y
;}E}N:A
fQ5v?(
九. 简化 t1w]L
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Mc,|C)
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 6Hnez @d
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: 2p&$bft
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 \8xSfe
+-*/&|^等 ?"Ez
2. 返回引用。 \x-2qlZ
=,各种复合赋值等 DO(};R%=
3. 返回固定类型。 <G}Lc
各种逻辑/比较操作符(返回bool) tY;<S}[@7w
4. 原样返回。 Rt?CE jy
operator, ui>jJ(
5. 返回解引用的类型。 $bG*f*w
operator*(单目) RxqNgun@
6. 返回地址。 )Jjp^U3Ub
operator&(单目) Z9DfwWI2nu
7. 下表访问返回类型。 x[58C +
operator[] n0lOq
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 G Y%5N= u
operator<<和operator>> |N`0G.#
;8^k=8
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 1L*[!QT4
例如针对第一条,我们实现一个policy类: YIRe__7-NU
}>6e-]MHfR
template < typename Left > >+J}mo=*
struct value_return Q2 !GWz$
{ j{Px}f(=
template < typename T > S
a+Y/
struct result_1 tM]Gu?6
{ F- -g?Q^
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; mFTuqujO
} ; 8r(awp
IB&G#2M<
template < typename T1, typename T2 > u:APGR^
struct result_2 n$C-^3c
{ KdkL_GSLT
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; nms[No?
} ; )xy>:2!#Y
} ; #r #[&b
v)Y)tu>
#ELeW3
S}
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait b\0>uU
B2kZ_4rB
下面我们来剥离functor中的operator() DujVV(+I
首先operator里面的代码全是下面的形式: LG:k}z/T
mI7lv;oN<5
return l(t) op r(t) 6]iU-k0b
return l(t1, t2) op r(t1, t2) W+a/>U
return op l(t) .6`r`|=
return op l(t1, t2) [
iTP:8
return l(t) op <OEIG0
return l(t1, t2) op 4,;*sc 6*
return l(t)[r(t)] LVg#E*J
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] /[_aK0U3
)IcSdS0@M
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: 5! );4+
单目: return f(l(t), r(t)); =;-C;gn:w
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); =Smd/'`_
双目: return f(l(t)); {j$2=0Cec
return f(l(t1, t2)); i975)_X(
下面就是f的实现,以operator/为例 y!1X3X,V
Jpduk&u
struct meta_divide UK,bfLPt~
{ ?L0;,
\-t
template < typename T1, typename T2 > -u@ ^P7
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) , mz;$z6i
{ lPZ>#
return t1 / t2; n,FyK`x
} KfjWZ4{v
} ; _+48(QF<