一. 什么是Lambda Lr "V
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Xw162/: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, 2Fbg"de3-
_|COnm
w:~vfdJ
Ou|kb61zg
class filler uPb. uG
{ r;"Qu
public : GCxmqoQ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 8;3I:z&muQ
} ; z;&J9r$`
#Xi9O.
4y,pzQ8a
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ,Mn`kL<F
)s
?Hkn
tSTl#xy
Et&PzDvU
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Se!B,'C%
[QwqP=-6
@3?dI@i(
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 85:mh\@-G
G~f|Sx
VE^IA\J x
80LN(0?x
二. 战前分析 Z:VT%-
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 8?hj}}H
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 W: 3fLXk+
}x"8v&3CM_
f3mQd}<L
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); rxeOT# N}
/* --------------------------------------------- */ T?{F7
vector < int *> vp( 10 ); v;Rm42k
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); p7,dl*'
/* --------------------------------------------- */ =^w:G =ymS
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 7C~g?1
/* --------------------------------------------- */ 2))pB/
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); i(S}gH4*o
/* --------------------------------------------- */ IG4`f~k^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 0He^r
&c3
/* --------------------------------------------- */ E> YE3-]
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); zCj#Nfm
!PEP`wEKdp
if+97^Oy
>NtJ)N*
看了之后,我们可以思考一些问题: `m-7L
1._1, _2是什么? dMa6hI{k
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 er2# h
2._1 = 1是在做什么? ,veI'WHMB
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 BBj>ML\X
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 kp,$ NfD
Mu$"fYKf"
ynZfO2kf
三. 动工 dK7BjZTJo
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: !eD
f}~
=gO4B-[
1*OZu.NdK
A7aW]
template < typename T > ]J.|XRp/
class assignment B{7hRk.5!
{ !4T7@V`G
T value; #M[%JTTn
public : ;x-]1 xx_
assignment( const T & v) : value(v) {} ")3$. '5Dg
template < typename T2 > #9q
]jjH E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } nZ#0L`@"Y
} ; _O`s;oc
'-rRD\"q
]=(PtzVa
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 .\"8H1I\T
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ?PU7xO;_
.-cx9&
D8)6yPwE
R-1C#R[
class holder XM:\N$tg
{ Eu$hC]w
public : dEPLkv
template < typename T > ]Tn""3#1g
assignment < T > operator = ( const T & t) const NoT%z$1n
{ !5>PZ{J
return assignment < T > (t); X`fer%`
} a}'dIDj
} ; MD[;Ha
/2:s g1
}KR"0G[f
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: {z |+.D
75H;6(7
static holder _1; m[Cp
G=32B
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 yG,uD!N]|
*fQn!2}=(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); :rEZR `
而不用手动写一个函数对象。 #:tC^7qk
g\G}b
1i@a? 27|
8Bx58$xRq
四. 问题分析 F?b"Rv
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。 xtzkgb,0[
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。 z(1`Iy
M
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 kp^q}iS
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 N;i\.oY
下面我们可以对这几个问题进行分析。
!xEGN@
Jj~|2Zt
五. 问题1:一致性 ln_[@K[oX
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?| 6T%5<I*&3s
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 G$;cA:p-j
`pfRY!
struct holder Koc5~qUY]
{ $aHHXd}@t2
// 'q1cc5(ueV
template < typename T > K<MWiB&
T & operator ()( const T & r) const 'CCAuN>J
{ 5jHr?C
return (T & )r; =-/sB>-C
} bRK\Tua
6
} ; L)"CE].
3(_:"?x A
这样的话assignment也必须相应改动: :jFZz%
u=7#_ZC9L
template < typename Left, typename Right > FA{(gib@9
class assignment SZ~lCdWad
{ +-qa7
Left l;
9s?gI4XN
Right r; .pIO<ZAFT
public : me$nP}%C&
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} LR3>_t
template < typename T2 > Y)D F.ca(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 2Q;rSe._`
} ; 5 hW#BB
WG
+]
同时,holder的operator=也需要改动: #x \YA#~
<7`U1DR=
template < typename T > |\W~+}'g~
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Tt4Q|"CJA
{ d
'\^S}
return assignment < holder, T > ( * this , t); &ju.5v|
} Vze vOS
dtig_s,)D
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。 LQV&;O4'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 M"6J"s
hx ^ l
return l(rhs) = r; 0bOT&Z^
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。 ua,!kyS
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: PW\me7iCz
4K*st8+bl-
template < typename Tp > m$7C{Mr'
class constant_t t :~,7
{ B qLL]%F
const Tp t; Adgfo)X5
public : wLNkXC
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} x<PJ5G L
template < typename T > 9+ |W;
const Tp & operator ()( const T & r) const 1\nzfxx
{ <r
m)c.
return t; c )=a;_h
} N1"p ;czK
} ; 4'Ya-xx
J0B*V0'zR
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 bt Bu[;
下面就可以修改holder的operator=了 }KT$J G?
)Br#R:#
template < typename T > PcjeuJZ
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const q/ (h{cq
{ dx+xs&
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); w|ahb
} kSEgq<i!
&.qLE
同时也要修改assignment的operator() iJ
@p:
D
!{e
template < typename T2 > t+\<i8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Mi\-
9-
现在代码看起来就很一致了。 0.2stBw
\:+ NVIN
六. 问题2:链式操作 g:@4/+TSt
现在让我们来看看如何处理链式操作。 'H#0-V"=
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。 WD! " $
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。 |*M07Hc x
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。 GVfRy@7n
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct bZ^'_OOn
yXqC
template < typename T > -*OL+
struct result_1 cI/}rZ+
{ I!SIy&=W
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 9+/D\|"{
} ; \HG4i/V:h
|gHdTb1
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: o{QV'dgu
>[:qJ|i%
template < typename T > sB$" mJ
struct ref _!Pi+l4p/}
{ D7muf
typedef T & reference; H328I}7
} ;
$&1D l
template < typename T > J^S!GG'gb
struct ref < T &> kD7'BP/#
{ _18Z]XtX
typedef T & reference; 5NhAb$q2Y
} ; qq3/K9 #y
?%#no{9
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ]&9=f#k%
R%q:].
template < typename T > salDGsW^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const jbUg?4k!
{ (bpRX$is
return l(t) = r(t); ;C=V- r
} eW8{],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。 2aX$7E?
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 g3^:)$m
`Q#)N0
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 N eP
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: +XW1,ly~
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 qg|ark*1u
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Gm \)1b
最后的布局是: Z'l!/l!
Add U<>@)0~7g!
/ \ O(v>\MV
Divide 5 B9$pG
/ \ [_(uz,'
_1 3 BUV4L5(
似乎一切都解决了?不。 %4t?X
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。 2oOos%0
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。 4\k{E-x $
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: 5rc3jIXc{|
oiC@ /
template < typename Right > !&3"($-U3G
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const RlbJ4`a
Right & rt) const D>o u,
{ B&y?Dc
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); r!w*y3
} %tC[q
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 3gD <!WI
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 2X*n93AQi
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 b?VByJl
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 mAY/J0_
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 Gpcordt/
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? L/,gD.h^
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: FP7N^HVBG=
#<U@SMv
template < class Action > 9ZR"Lo>3e+
class picker : public Action jC$~m#F
{ O '`|(L
public : z@?y(E
picker( const Action & act) : Action(act) {} }NRt:JC
// all the operator overloaded o?~27
} ; X+<9-]=
cKOXsdH?SL
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。 /~7M @`1
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: kmo#jITa`
' V*}d
template < typename Right > w7Mh8'P54
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const u,}>I%21
{ DMs8B&Y=
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9C{Xpu
} l@u
"iGw
6W3."};
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > |id7@3leu
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。 <<Y]P+uU
{f*{dSm9b
template < typename T > struct picker_maker |2=w":2#
{ ~m0=YAlk?
typedef picker < constant_t < T > > result; =CS$c?
} ; nD>X?yz2
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > V$;`#J$\b
{ hkV*UH{
typedef picker < T > result; b"`fS`@/MW
} ; 5p:2gsk
1=E}X5
下面总的结构就有了: 4ji'6JHPg
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 45iO2W uur
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 3-n&&<
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 30(e6T;
至此链式操作完美实现。 K|6}g7&X
1rU\ !GfR
B6\/xKmv?8
七. 问题3 S$R=!3* "V
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。 cIkA ~F
#BS!J&a
template < typename T1, typename T2 > )cZ KB0*+
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ^YfAsBs&
{ 8{{^pW?x
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ?qn4ea-\P
} 5H 1x-b
@y0kX<M
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: LW("/
kI5LG6
template < typename T1, typename T2 > 3W.D^^)eCV
struct result_2 Z3ODZfu>
{ W=|'&UU Ul
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; QV*la= j/
} ; y^kC2DS
>qGWDCKr
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? v]KPA.W
这个差事就留给了holder自己。 YY'[PXP$Y
YYkgm:[
,.gJ8p(0x
template < int Order > 6O 2sa-{d
class holder; 6Q+VW_~
template <>
60f%J1u
class holder < 1 > w>Ft5"z
{ gB,Q4acjj
public : Yx ;j
template < typename T > |Xv\3r
struct result_1 XoMgbDC
{ HBk5p>&
typedef T & result; R\$6_
} ; 40-/t*2Ly
template < typename T1, typename T2 > ]Rp<64I o
struct result_2 v{\~>1J{
{ |Z Cv>8?n
typedef T1 & result; g K dNgU
} ; OU mZ|
template < typename T > \(5Bi3PA}
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const [!ZYtp?Hf
{ gKIN* Od
return (T & )r; (KfdN'vW
} H-X5A\\5
template < typename T1, typename T2 > WFqOVI*l
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const A 7|x|mW
{ '64/2x
return (T1 & )r1; jd
8g0^
} y92<(ziaX)
} ; >4#\ U!
u9+)jN<Yh
template <> {>brue*)
class holder < 2 > j{zVVT
{ C|QJQ@bj0
public : xrJ0
template < typename T > ~<osL
struct result_1 ]7h;MR
{ xz,M>Ua
typedef T & result; dsbz\w3:
} ; }yCgd 5+_
template < typename T1, typename T2 > Yt4v}{+
struct result_2 o%Qn%gaX
{ F#efs6{
typedef T2 & result; er !+QD,EM
} ; #P1;*m
template < typename T > YeF'r.Y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .+^o {b
{ ]d&;QZ#w
return (T & )r; 3v<9 Z9O
} rO1.8KKJ
template < typename T1, typename T2 > \z2d=E
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const :/NP8$~@j
{ %5(v'/dQ
return (T2 & )r2; uYc&Q$U
} e}L(tXZ
} ; #8bI4J{dE
9893{}\cB
.>(qZEF
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> >。 i{>YQ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Je`
w/Hl/U
首先 assignment::operator(int, int)被调用: sM%.=~AN
P`M1sON~
return l(i, j) = r(i, j); W@FGU
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) v8A{q
2wgdrO|B
return ( int & )i; vYG$>*
return ( int & )j; 2l4`h)_q
最后执行i = j; oga0h'
可见,参数被正确的选择了。 SCMZ-^b
wijY]$
s-xby~
9'JkLgz;d+
&oiBMk`*
八. 中期总结 gJBk&SDgtP
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: 6~q"#94
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 cNqw(\rr
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/soop\:
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 4:v{\R
w9a6F
&]/.=J
K?+Rq
1YMu\(
bga2{<VF
九. 简化 GQ9g $&T
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。 K&noA
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Bhrp"l
+|
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: [VP~~*b
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 c
=i6
+-*/&|^等 bx<7@
2. 返回引用。 ,!4(B1@
=,各种复合赋值等 ?Yp: h
3. 返回固定类型。 bdCpGG9
各种逻辑/比较操作符(返回bool) #yVY!+A
4. 原样返回。 6y9#am?
operator, ToVm]zPOUt
5. 返回解引用的类型。 :
LI*#~'Ka
operator*(单目) vQ}llA
h
6. 返回地址。 Sf\mg4,
operator&(单目) oa|nQ`[
7. 下表访问返回类型。 fhmqO0
operator[] p`JD8c
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 R{hKl#j;>
operator<<和operator>> iB 5 Se
_`zj^*%
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。 OPwj*b:-m
例如针对第一条,我们实现一个policy类: &a
p{|>3
j>Htaa
template < typename Left > ^1S(6'a#
struct value_return P-QZ=dm
{ ]W%<<S
template < typename T > BUcze\+
struct result_1 e;<=aa)}?
{ Bn/{J
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; GV([gs
} ; LEkO#F(
(;' ?56
template < typename T1, typename T2 > T0Q)}%L
struct result_2 Pz1pEyuL
{ *#,wV
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ^60BQ{ne
} ; iFW)}_.
} ; TCFx+*fBd
RI"A'/56
+)FB[/pXk
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait Llk4 =p
R;f!s/^)
下面我们来剥离functor中的operator() cSBYC_LU
首先operator里面的代码全是下面的形式: n8[
sl]L
".eD&oX{
return l(t) op r(t) Z*QsDS
return l(t1, t2) op r(t1, t2) nJ4i[j8
return op l(t) `bffw:;%
return op l(t1, t2) {|6(_SM|
return l(t) op &gZ5dTj>
return l(t1, t2) op 9Ay*'
return l(t)[r(t)]
WLEjRx
return l(t1, t2)[r(t1, t2)]
e@6<mir[4
m6)8L?B
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: |?SK.1pW
单目: return f(l(t), r(t)); g&H6~ +\
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); h\b]>q@
双目: return f(l(t)); %^g BDlR^
return f(l(t1, t2)); T2
0dZ8{y
下面就是f的实现,以operator/为例 GH![rK
$cFanra
struct meta_divide _gjsAbM
{ rE-Xv.
|
template < typename T1, typename T2 > 'c\zWmAZ
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) Aq}]{gfQ1
{ veg\A+:'
return t1 / t2; O2?ye 4uq
} 0x'>}5`5
} ; pm,&