一. 什么是Lambda #B88w9
b`D
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 <KoiZ{V
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, ^Cst4=:W
\uc]+nV!o
Ev,>_1#Xm
^r?ZrbSbz
class filler }Cvf[H1+
{ 7ykpDl^ @
public : Z_zN:BJ8L
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} %u,H2*
} ; Ovq-rI{
A%-*M 'J
z|Q)^
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: }G]6Rip3
#e}Q|pF
$>hPB[ [
`k+ci7;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); `1=n H/E
H!y1&
_rdEur C6
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 /vYuwaWG=
Rp^kD ,*
h#dp_#
*?zmo@-
二. 战前分析 _K<H*R
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。 j2#RO>`,I
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 Q(
U+o-
&GGJ=c\
eGkB#.+J!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Sb+^~M
/* --------------------------------------------- */ &xo_93
vector < int *> vp( 10 ); $nUhM|It
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ZP
&q7HK\
/* --------------------------------------------- */ \}P3mS"e3
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); M4w,J2_8MK
/* --------------------------------------------- */ F{WV}o=MY
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); <wfPbzs-V
/* --------------------------------------------- */ l+HmG< P
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); +DmfqKKbd
/* --------------------------------------------- */ 6!sC
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 5 Tag-+
0ft 81RK
]$oo1ssZ1
Ngi]I#Vz
看了之后,我们可以思考一些问题: 3q:U0&F
1._1, _2是什么? Q'5]E{1<'n
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.@ I}>
2._1 = 1是在做什么? wW
EnAW~
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。 <tXk\cOg
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。 t1}R#NB
"
R!,5HQF;
T1%_sq
三. 动工 "yJFb=Xdq
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: L1ro\ H
\f\CK@
o-a\T
d0``:
template < typename T > S3 12#X(%
class assignment (yA`h@@WS
{ v7gs
$'Q
T value; o 9\J
vJk
public : ?*cr|G$r[
assignment( const T & v) : value(v) {} v+Mi"ZAd
template < typename T2 > hGh91c;4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } l7 Pn5c
} ; 2T 3tKX
pse$ S=
N!!=9'fGF
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 opsjei@
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Vl'Gi44)3"
%])U (
w_qX~d/
V1di#i:
class holder o-i9 :AHs
{ .3>`y L
public : iOY: a
template < typename T > uJ-Q]yQ
assignment < T > operator = ( const T & t) const A\ARjSdb
{ e_=TkG1E6
return assignment < T > (t); StLFq6BO
} O{^8dwg
} ; ~H`m"4zQ
i&mcM_g32
USd7gOq(
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: +a3H1 tt~
jKr\mb
static holder _1; P^[eTR*?
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 pLj[b4p9
o-I:p$B -
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); +2xgMN6B@
而不用手动写一个函数对象。 9Xl[AVs:M
sE^ee2]OI@
B703{k
sU Er?TZ
四. 问题分析 &_cH9zw@
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 HOt,G
_{
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Gb!R>WY
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 8ShIn@|32
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 IC"Z.'Ph
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ^+p7\D/E(
MHj
RPh
五. 问题1:一致性
6a}
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| )iX2r{
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 U}T{r%9
moS0y?N
struct holder z@I'Ryalyc
{ tNoPpIu
// "w&IO}j;=
template < typename T > Oh# z zo
T & operator ()( const T & r) const &cGa~#-u
{
I'`90{I
return (T & )r; Ty<."dyPW
} unKPqc%q=n
} ; e&nE
_mWVZ1P
这样的话assignment也必须相应改动: ]*?lgwE
&&% oazR=
template < typename Left, typename Right > 7F2 WmMS
class assignment XEegUTs
{ p<[MU4
Left l; ) >te|@}o
Right r; j)ME%17
public : R1$s1@3I|
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} E$.f AIt
template < typename T2 > Upa F>,kM
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 71n3d~!O>
} ; kx?f, ^-
12VIP-ABK
同时,holder的operator=也需要改动: "%}24t%
(/7b8)g
template < typename T > o_8Wnx^
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const av&~A+b.r
{ v-Tkp
Yn
return assignment < holder, T > ( * this , t); H-rxn
} 3{)!T;W d
c=,HLHpFO(
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。 Al1_\vx7
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 n:|a;/{I]9
{p.^E5&
return l(rhs) = r; %nRgHN>
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。 E+ctiVL
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 8eVy*h2:=
nW)?cQ
I
template < typename Tp > A+|bJ>q
class constant_t ,eGguNA9
{ GKc?
const Tp t; <?nz>vz
public : kXV;J$1
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} $Qz<:?D
template < typename T > vHZq
z<
const Tp & operator ()( const T & r) const H#i,Ve'
{ C7O8B;
return t; S B~opN
} ~x7CI
} ; !2kM
%QG3~b%
h
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 uK]-m
下面就可以修改holder的operator=了 k%3)J"|/
IL g o:xQ
template < typename T > #{*5rKiL
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const _\=x
A6!
{ )DmydyQ'
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); CBO*2?]s
} B}S+/V`
Y5
3 [j,d]\|
同时也要修改assignment的operator() =+LIGHIt
_dELVs7OL
template < typename T2 > xax[#Vl4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } T+^Sa
J
现在代码看起来就很一致了。 ic5af"/(\
uh2 Fr
六. 问题2:链式操作 L3w.<h
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ftvu69f
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。 ?wu@+
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。 @0]w!q
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。 2Z(t/Zp>
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 8 :WN@
Siq]Ii0F;>
template < typename T > 4#{f8
struct result_1 t{g@z3
{ O:sqm
n
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ]
)iP?2{
} ; >fMzUTJ4
d5NE:%K
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: sj4\lpZ3h
tA^+RO4
template < typename T > X{Fr
struct ref S{?l/*Il*_
{ aGBd~y@e
typedef T & reference; 1d~d1Rd
} ; xT+#K5
template < typename T > &c 2Qa
struct ref < T &> J6[}o4Z
{ r95,X!
typedef T & reference; T ay226
} ; *xJ ]e.
GMg!2CIU
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: -. o,bg
Rz&`L8Bz
template < typename T > Zr1"'+-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const :1Nc6G
{ etT9}RbQ
return l(t) = r(t); \?oT.z5VG&
} Ux1j +}y
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。 -8l(eDm"m
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Gk+R,:
sZ~03QvkT
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 |||m5(`S
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ^mjU3q{;
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 @Co6$<
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 pfu"vo(t_
最后的布局是: OwEV$Q
Add %f'=9pit
/ \ @sG*u >
Divide 5 vmEn$`&2t
/ \ p:4-b"O
_1 3 ?A;RTM
似乎一切都解决了?不。 O:8
u^TP
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。 h<)ceD<,
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。 qE3Ud:j
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: ]zVQL_%,
.?rs5[th*
template < typename Right > oQrfrA&=M
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const +'SL5d*
Right & rt) const 8G3 Z,8P4(
{ 1) K<x
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); x${C[gxq9F
} L-)ZjXzk
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 jJw
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 RhKDQGdd
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 ;zze.kb&F
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 2q]ZI
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 %TR J
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? C$K?4$
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: J~xm[^0
`q\F C[W
template < class Action > mi$C%~]5m
class picker : public Action @I|kY5' c
{ 4[#)p}V
public : @67GVPcxl
picker( const Action & act) : Action(act) {} Y'jgp Vt
// all the operator overloaded 9mp`LT
} ; =$+0p3[r
wl%ysM|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。 m'
S{P:TK
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: A W6B[
g33Y$Xdk
template < typename Right > :R=7dH~r
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const WV'u}-v^
{ :Cezk D&
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Z2@e~&L
} fd #QCs
'hPW#*#W<
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > g]JRAM
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。 8RuW[T?
GOGS"q
template < typename T > struct picker_maker X^dasU{*
{ *~4<CP+"0
typedef picker < constant_t < T > > result; ~8UMwpl-
} ; l%('5oz@\
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > \1&4wzT
{ A$7K5
typedef picker < T > result; J"<
h#@`
} ; FeS
,TQ4j
}f_@@#KB?
下面总的结构就有了: ^t71${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。 J @~g>
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。 o3\^9-jmp
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?./fVoA]V
至此链式操作完美实现。 1u5^a^O(|
\!jz1`]&{
9015PEO
七. 问题3 TD*AFR3Oz
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。 sr[[xzL
?D7zty+}^
template < typename T1, typename T2 > 8+7*> FD)1
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const `Ix`/k}
{ !5h-$;
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]b>XN8y.
} g18zo~LZ
!gV{[j?~zr
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: :-U&_%#w
@:B}QxC
template < typename T1, typename T2 > /=l!F'
struct result_2 ^fsC]9NS
{ nv+miyvvm
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 9@lG{9id?
} ; nj00g>:>
b?cO+PY01
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? G9xO>Xp^Al
这个差事就留给了holder自己。 LttA8hf5q?
Il>o60u1
<\uDtbK
template < int Order > S&y${f
class holder; /qwY/^
template <> !mWm@}Ujg
class holder < 1 > _<2{8>EVf
{ AB0}6g^O
public : ~.J*_0~Ze
template < typename T > 6vTnm4
struct result_1 vg3iT}
{ hT_Q_1,
typedef T & result; nO'C2)bBSG
} ; *' es(]W
template < typename T1, typename T2 > q9VBK(,X
struct result_2 :/6aBM?
{ u+z
typedef T1 & result; W`oyDg,D
} ; .waj.9&[l
template < typename T > R}3th/ qf
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const K0o${%'@7
{ MK!
@ND
return (T & )r; ki2`gLK
} .X(qs 1
template < typename T1, typename T2 > p/u
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ek/zQM@%
{ lb*;Z7fx<'
return (T1 & )r1; wxBZ+UP_
} 90Sras>F
} ; bQ
0Ab"+D
[e_csQ
template <> Voq/0,d
class holder < 2 > J(~1mIJjC
{ ~#VDJ[Z
public : P*}aeu&lnD
template < typename T > [ g:cG
struct result_1 @qW$un:
{ 7I]?:%8h
typedef T & result; x./"SQ=R+
} ; l O*
template < typename T1, typename T2 > tQxxm=>
struct result_2 $_eJ@L#
{ S=`$w
typedef T2 & result; GcA|JS=>
} ; wL]#]DiE
template < typename T > snu?+*6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ,afO\oe>MG
{ @ZJ}lED3
return (T & )r; |=~mRqG
} lfd-!(tXD
template < typename T1, typename T2 > v$JW7CKA
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const sKs`gi2
{ SS8$.ot
return (T2 & )r2; ./.aLTh
} 5{i NR4sq
} ; N7}3?wS
7B5b
+
PBE i"`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> >。 aR@+Qf
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: o$U{.#
首先 assignment::operator(int, int)被调用: qe
e_wx
cH:&S=>h
return l(i, j) = r(i, j); iPG:w+G
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 'L9hM.+
+eKLwM
return ( int & )i; qkp0' f*}
return ( int & )j; $T66%wX
最后执行i = j; o
/1+
}f
可见,参数被正确的选择了。 TXV^f*
aMkuyqPf{
|yp^T
)Spa
F)N8
2
w!
0$
八. 中期总结 3,*A VcQA
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: "H@I~X=
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 h#)\K|
qs
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 B`3z(a92S
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor rFm?Bu
c(b`eUOO
@8aV*zjB
h -091N
L*4=b
(3
X_bB6A6
九. 简化 8WpNlB+:{
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。 {x..>
4
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 q&NXF(
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: {-]K!tWda
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ;p<BiC$b
+-*/&|^等 iyUnxqP
2. 返回引用。 ,+C?UW
=,各种复合赋值等 w}(pc}^U
3. 返回固定类型。 =,qY\@fq
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 3A~<|<}t
4. 原样返回。 i$hWX4L
operator, QR~4Fe
5. 返回解引用的类型。 T/%Y_.NtU
operator*(单目) ,VUOsNN4\
6. 返回地址。 /|h+,]<
>
operator&(单目) YD9vWk\/
7. 下表访问返回类型。 u$ci{<
operator[] 'IVC!uL,%
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 4OO^%`=)M'
operator<<和operator>> 2\|sXC
$$Ibr]$5
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。 yzL9Ic
例如针对第一条,我们实现一个policy类: >){}nlQf
v6! `H
template < typename Left > -!M>;M@
struct value_return Q.V@Sawe5
{ nG?Z* n
template < typename T > ?
IlT[yMw
struct result_1 h. 4#C}> )
{ yiH;fK +x
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 4"iI3y~Gw
} ; --c)!Vxzx
Z?9G2<i
template < typename T1, typename T2 > ma QxU(
struct result_2 e8xNZG;
{ n? =O@yq
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; cf"!U+x
} ; 3G^A^]h
} ; 6e5A8e8"]
w_~tY*IwB
=1)9>= }
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait oz|+{b}%
}"%mP 4]&
下面我们来剥离functor中的operator() :iQJ9Hdz
首先operator里面的代码全是下面的形式: q%]5/.J
/Zx"BSu
return l(t) op r(t) SymlirL
return l(t1, t2) op r(t1, t2) *] >R
return op l(t) f/0k,~,*
return op l(t1, t2) B(eiRr3
return l(t) op T0b/txS
return l(t1, t2) op d}Y#l}!E6
return l(t)[r(t)] sE{5&aCSR
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] n3eWqwQ$5
E\9HZ;}G
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: 5UK}AkEe&x
单目: return f(l(t), r(t)); N693eN!
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); +~
Y.m8
双目: return f(l(t)); UxMei
return f(l(t1, t2)); eE\T,u5:
下面就是f的实现,以operator/为例 KMl3`+i
9>&p:+D
struct meta_divide fmLDufx
{ h{jm
template < typename T1, typename T2 > W>b\O">
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) v=&xiw