一. 什么是Lambda zeC@!,lH
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 bOB<m4
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, 46yq F
[Iwb7a0p
\zdY$3z
""Ub^:ucD
class filler / LH#
3
{ u{asKUce\
public : 6\+ZTw
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} jD<fu
} ; M1Frn n
%Voq"}}N
Y=NXfTc
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 0P+B-K>n
l[,RA?i
{
`<?{%ja
(TX\vI&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); o4[
+zl2|'
h/LlH9S:!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 MrW*6jY@
<FkoWN
@nh*H{
O BCH%\;g
二. 战前分析 7_=7 ;PQ<
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 nfldj33*
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 9=l6NNe)|
]_hrYjX;
>*wF~G*k
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 1"hd5a
/* --------------------------------------------- */ k2-:!IE
vector < int *> vp( 10 ); FFG/v`NM
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); o 94]:$=~
/* --------------------------------------------- */ Vgj&hdbd
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); A>bpP
/* --------------------------------------------- */ un&Z'
.
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~xp(k
/* --------------------------------------------- */ SU`RHAo
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); >u-6,[(5X*
/* --------------------------------------------- */ K> rZJ[a
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); P3W<a4 ==
7\T~KYb?
hx5oTJR
G\;a_]Q
看了之后,我们可以思考一些问题: q
n6ws
1._1, _2是什么? L@&(>
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。 %k"qpu
2._1 = 1是在做什么? 3IlflXb
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。 rw|;?a0
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。
=JR6-A1>
pBb fU2p
>RTmfV
三. 动工 7GFE5>H
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Jc3Z1 Tt
hoDE*>i
d3IMQ_k
2_i9
q>I
template < typename T > liuw!
class assignment yu~o9
{ Dp8`O4YC
T value; O'WBO"
public : y8!#G-d5
assignment( const T & v) : value(v) {} #Bih=A
#
template < typename T2 > k$NNpv&;d
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } $vR#<a,7>
} ; y-1!@|l0:6
J^Mq4&
]zt77'J
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 jG E=7
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Ofm?`SE*|
IQm[,Fh
>QcIrq%=
Vzmw%f)_+
class holder Qm >x?
{ =.Hq]l6+
public : $oo`]R_
template < typename T > d41DcgG'j(
assignment < T > operator = ( const T & t) const 6F)^8s02h
{ $GI
jWlAh
return assignment < T > (t); zZhA]J
} c97?+Y^
} ; Hd8 O3_5
2X)n.%4g$;
2BGS$$pP
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: er%D`VHe
)o;oOPT!
static holder _1; cU[^[;4J<
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 X%sMna)
6!;eJYj,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); H?a1XEY/
而不用手动写一个函数对象。 l`wF;W!
Y+kfMA v
m) -DrbE
&|
guPZ
四. 问题分析 "dItv#<:}
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。 e*Gt%'
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。 b<]Ae!I'
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 gd,3}@@SH
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 y+"6Y14
下面我们可以对这几个问题进行分析。 5dNM:1VoE
q-lejVS(g
五. 问题1:一致性 cN&]JS,
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?| P2t{il
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 bgNN0,+8
\$B%TY
struct holder s{:l yp
{ s-[v[w'E
// <=g{E-
template < typename T > |3:e$
T & operator ()( const T & r) const e%wzcn
{ {pR4+g
return (T & )r; ~ 7^#.
} pFW^
} ; ! !we4tWq
_=Eb:n+X
这样的话assignment也必须相应改动: ~0T;T
+bhR[V{0g
template < typename Left, typename Right > mV'XH
class assignment )b7 ;w#%q
{ ^K]`ZQjKC
Left l; [WXa]d5Y
Right r; yOdh?:Imv
public : YKV?I
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ^fq^s T.$
template < typename T2 > v{44`tR
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } x,rK4L7U
} ; \v]esIP5R'
5IJm_oy
同时,holder的operator=也需要改动: !*1Kjg3
>DSD1i+N
template < typename T > TilCP"(6D
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 5?=haGn
{ 6dlV:f_\y
return assignment < holder, T > ( * this , t); Gtm|aR{OS
} %={[e`,
6VQe?oh
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。 z:p;Wm
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 M}Obvl
)&F]j
return l(rhs) = r; 5 >c,#*
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。 W3M1> (
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: >oHgs
Q?xCb
template < typename Tp > q,%lG$0v
class constant_t 0Uf.aP
{ (/;<K$u*h
const Tp t; B(t`$mC
public : _+*+,Vx
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} vP.^j7wB
template < typename T > 5z=.Z\M`8
const Tp & operator ()( const T & r) const :+?w>
{ NQu.%=
return t; DPg\y".4Y&
} WV?3DzeR
} ; 0vjlSHS;`.
}c?W|#y`.o
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 *2^+QKDG
下面就可以修改holder的operator=了 S"Z.M _
;Im%L=q9GL
template < typename T > E},^,65
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const $9@jV<Q1
{ ];
Z[V
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); <oKoz0!
} UfxYD
!+H)N
同时也要修改assignment的operator() tE(_Cg
sgfci{~
template < typename T2 > 9h/JW_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } }|9!|Q
现在代码看起来就很一致了。 ?qJt4Om
LLD#)Jl{?
六. 问题2:链式操作 R|g50Q
现在让我们来看看如何处理链式操作。 |EZ\+!8N:{
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。 3bBCA9^se
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。 O]cuJp
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。 {Q~HMe`,
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct c_ Dg0
bD:[r))#e
template < typename T > 4^3lG1^YY
struct result_1 \3XG8J
{ DOB#PI[/
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; uN*Ynf(:-
} ; Gv\:Agi
Yj{-|2YzL
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: r>,s-T!7
f =T-4Of
template < typename T > H/''lI{k)
struct ref k/,7FDO?m
{ h6;vOd~%
typedef T & reference; jzb%?8ZJ
} ; |6o!]~&e$1
template < typename T > pybE0]
struct ref < T &> (kmrWx=
$
{ !4vepa}Y
typedef T & reference; _)XZ;Q
} ; ! lxq,Whr{
y}*J_7-
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: J>dIEW%u
EGw;IFj)
template < typename T > cUj^aT pm
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const svRYdInBNu
{ ~kp,;!^vr
return l(t) = r(t);
i38`2
} t$EL3U/(
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。 +aZcA#%
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 T?k!%5,Kj
?8!\V NC.
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 &[W53Lqa
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: E@/*eJ
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 JuD&121N*
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 :v B9z
最后的布局是: &B?*|M`)k
Add F&u)wI'
/ \ wB+X@AA
Divide 5 >!3r7LgK
/ \ ;)23@6{R%
_1 3 $i|d=D&t
似乎一切都解决了?不。 A/TCJ#>l
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。 CNl @8&R
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。 wBI>H
7A
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: A/sM
?!p>_
3,y zRb
template < typename Right > tRVz4fk[G
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const pg.BOz\'q
Right & rt) const K};~A?ET,h
{ HB*H%>L{"B
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); t_kRYdW 9
} MG:eI?G/'
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 sH51 .JG
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。 &2sfu0K
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。 ^E&WgXlb
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。 !6FO[^h||H
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。 {NUI8AL46A
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? ksy]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: U28frRa
"_
H9]}Q
template < class Action > tLzb*U8'1w
class picker : public Action E RjMe'q4
{ 9?tG?b0
public : p+#]Jr
picker( const Action & act) : Action(act) {} 2*5pjd{Kt
// all the operator overloaded o@[oI\Vr!
} ; cD ?'lB-
\rM5@
Vf
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。 ows3%
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: ;5tQV%V^Q
(>C$8)v
template < typename Right > H(tT8Q5i
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 1O2jvt7M
{ dLbSvK<(I
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); yYiu69v
} V*gh"gZ<
F% z$^ m-
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ~cul;bb#
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。 4SJb\R)XK
V`m9+<.1 b
template < typename T > struct picker_maker
<.=-9O6
{
bKt4
typedef picker < constant_t < T > > result; nLY(%):(P
} ; zALtG<_t
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > x7!gmbMfK'
{ ."Q}2
typedef picker < T > result; 6,~]2H'zq
} ; lf\x`3Vd
LnPG+<
下面总的结构就有了: p :zRgwcn
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。 #|/+znJm
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。 }=p+X:k=
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 H,EGB8E2
至此链式操作完美实现。 PZihC
F^CR$L& K
1ZY~qP+n+
七. 问题3
wwE3N[
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ?N=`}}Ky-
;r}yeISf
template < typename T1, typename T2 > ]OV}yD2p
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const NA+7ey6
{ yX.; x 0
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); <>H^:iqn
} U+,RP$r@
,olP}
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`m)MW-
-I[K IeF
template < typename T1, typename T2 > NqM=Nu\
struct result_2 _&N}.y)+t
{ rV}&G!V_t
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; uM,R +)3
} ; -z">ov-)
W<:x4gBa
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? <"yL(s^u"
这个差事就留给了holder自己。 .'b|pd
U(2=fKK;
o ~M=o:^nH
template < int Order > sh*/wM
class holder; kS4YxtvB
template <> r@EHn[w
class holder < 1 > x/ix%!8J
{ +K?sg;
public : wz>[CXpi_
template < typename T > B+z>$6
struct result_1 m qwJya
{ Aw&0R" {
typedef T & result; LfN,aW
} ; Ax*xa6_2
template < typename T1, typename T2 > mrBK{@n
struct result_2 <R?S
{ u.Tknw-X
typedef T1 & result; zKT4j1h
} ; [qU`}S2
template < typename T > J,J6bfR/
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const CA5T3J@vAQ
{ a n0n8l
return (T & )r; $HCgawQ
} *U-:2uf
template < typename T1, typename T2 > .DM-&P
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \h?6/@3ob
{ @VQ<X4Za
return (T1 & )r1; =#vJqA
} _9'hmej
} ; n=?wX#rEC#
*fz#B/_o
template <> 10xza=a
class holder < 2 > a(LtiO
{ FKUo^F?z
public : BjGfUQ
template < typename T > q:=jv6T#
struct result_1 2R W~jn"
{ ^SK!?M
typedef T & result; *c
9S.
} ; /vC!__K9:
template < typename T1, typename T2 > }X. Fm'`
struct result_2 @^/aS;B$>
{ ^7yaMB!
typedef T2 & result; hkdF
} ; FY`t7_Y?GV
template < typename T > O[\mPFu5
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const #8~ygEa}
{ KTBtLUH]*F
return (T & )r; }I1j #d0.
}
sOb]o[=
template < typename T1, typename T2 > *Q#oV}D_
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const q]Kv.x]$R
{ bGkLa/?S
return (T2 & )r2; 56Z
} E#,\[<pc
} ; 6)BPDfU,
o2cc3`*8d
7!wc'~;
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> >。 P- +]4\
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: xGFbh4H=8p
首先 assignment::operator(int, int)被调用: O3mw5<%15
T8&eaAoo
return l(i, j) = r(i, j); 97~>gFU77#
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) TZGk[u^*
s6r(\L_Im
return ( int & )i; Mdh]qKw
return ( int & )j; +v$W$s&b-h
最后执行i = j; 0+u>"7T
可见,参数被正确的选择了。 ^qi+Y)dU|
9hssIZO
KuW>^mF(I
)FPn_p#3]
q`?M+c*F
八. 中期总结 #eX<=H]
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: G"tlJ7$myQ
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 <sw=:HU
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 OCq5}%yU&i
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor UWhJkJsX
'IT]VRObP
~ch%mI~
,fqM>Q
JVxja<43
tCm]1ZgRW
九. 简化 t&NpC;>v
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 RWX!d54&
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 :H&G}T(#
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: a>rDJw:
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 &W c$VDC
+-*/&|^等 I>##iiKN
2. 返回引用。 7\[fjCg\w
=,各种复合赋值等 3o0ZS^#eB
3. 返回固定类型。 xRdx`
YY u
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 8Lgm50bs
4. 原样返回。 S4?WR+:h
operator, OZd
(~E
5. 返回解引用的类型。 yimK"4!j5A
operator*(单目) e /1x/v'
6. 返回地址。 +95v=[t#Ut
operator&(单目) Yi)s=Q :
7. 下表访问返回类型。 :YOo"3.]
operator[] %K.r rn M
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 N3*1,/,l.
operator<<和operator>> F_m'
9KX4E
TIt\
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。 HTz`$9
例如针对第一条,我们实现一个policy类: m(d|TwG{
tK/.9qP
template < typename Left > L &hw-.Q
struct value_return /AyxkXq
{ Y/"t!
template < typename T > &CSy>7&q