一. 什么是Lambda okO\A^F
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 qu;$I'Ul%
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, [|\#cVWs
qXoq<
|
R.YUUXT
sg4(@>
class filler nZEew.T:6
{ m;ju@5X
public : R_ )PbFw
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} V \/Qik{h
} ; 4Zn [F^p
ffsF], _J
FRsp?i
K)
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: 6A ptq
tHr4/
~^fb`f+%
a>,Zp*V(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 6!([Hu#= *
G[{Av5g mx
!iK{q0
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 7/)0{B4U'
t~":'le`zr
0#~k)>(7lR
Yaz/L)Y;R
二. 战前分析 $v5 >6+-n
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ~6+>2|wIS
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 .fS{j$
j' b0sve|?
zT93Sb
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Q(4~r+
/* --------------------------------------------- */ 0:c3aq&u
vector < int *> vp( 10 ); Qkc9X0J!
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 3Z7gPU!H=
/* --------------------------------------------- */ LZQG.
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); C
u1G8t-
/* --------------------------------------------- */ n$ E$@
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~g;)8X;;+
/* --------------------------------------------- */ hDc2T
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); { _Y'%Ggh
/* --------------------------------------------- */ }rF4M1+B\
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); zjzEmX
3ug~m-_
i(V
Y=y
0`?K
看了之后,我们可以思考一些问题: F)@zo/u5L
1._1, _2是什么? 5Fbb5`(
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。 4JXJ0T ar
2._1 = 1是在做什么? U8@P/Z9
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。 8G3.bi'q
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。 C'S_M@I=
$x#qv1
XXeDOrb
三. 动工 MM( ,D&
Z
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类:
YdUcO.V
?~cO\(TY["
fB'Jo<C
'2rSX[$tf
template < typename T > Pon0(:#1
class assignment jc@=
b:r=
{ I*/:rb
T value; {wO.nOB
public : 2X(2O':Uc
assignment( const T & v) : value(v) {} &v Q5+
template < typename T2 > E,ooD3$h
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } GoPMWbI7
} ; dP#7ev]'
-iFFXESVX
"#iO{uMWb
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 3_T'0x\FP
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment h]IoH0/
9Vt6);cA-]
Ok}e|b[D
>
kwhZ/x
class holder = \K/ulZo
{ XXQC`%-]<i
public : G/w@2lYx
template < typename T > #G\-ftA &
assignment < T > operator = ( const T & t) const wzZ]|
C(vp
{ v[?gM.SF
return assignment < T > (t); j
J54<.D
} t{B6W)q
} ;
uwt29
%:dd#';g
0/cgOP!^
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: b>d]= u
kHQn'r6
static holder _1; WMFn#.aY5
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ;#*.@Or@Ah
h645;sb0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L$ jii
而不用手动写一个函数对象。 `];ne]xM
Ad-_=a%
!L_xcov!Y
s"8z q;)
四. 问题分析 )a+bH </'
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。 Qb;]4[3
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。 "kucFf f
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 'z+Pa^)v
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 v~p?YYOm<
下面我们可以对这几个问题进行分析。 9>_VU"T
,3)JZM
五. 问题1:一致性 r 2{7h>
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?| H/*i-%]v+(
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 -ilhC Y@M
SO~pe$c-
struct holder E#kH>q@K`$
{ C3 m_sv#e
// Aiqb*v$
template < typename T > (8em 5
T & operator ()( const T & r) const F-$NoEL
{ !'>#!S~h3
return (T & )r; "`w*-O
} wOH 3[SKo
} ; J,=^'K(
}E)t,T>
这样的话assignment也必须相应改动: QKoJxjR=^
)EN,Ry
template < typename Left, typename Right > tV7{j'If
class assignment sr:hRQ27
{ V{rQ@7SE
Left l; kioIyV\=
Right r; yT(86#st
public : hiWs:Yq
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ZjnWbnW
template < typename T2 > Z,F1n/7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } r&XxF>
} ; :vC+}.{p
MOIVt) ZY
同时,holder的operator=也需要改动: AP?m,nd6
;uuBX0B
template < typename T > \i)@"}
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const <(us(zbk]
{ d-]!aFj|U
return assignment < holder, T > ( * this , t); b_@bS<wsF}
} F<,"{L
t9_&n.z
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 C Y)[{r
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 EhN@;D+
L_IvR 4:j~
return l(rhs) = r; =1mIk0H`
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 3LVL5y7|
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: &2W`dEv]?
}BCxAwD4
template < typename Tp > n$"BF\eM
class constant_t !,*Uvs@b
{ B{1yMJA
const Tp t; g;y*F;0@
public : /j(<rz"j
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ?gXdi<2Qn
template < typename T > V#+J4
const Tp & operator ()( const T & r) const "+BuFhSLf
{ hrbeTtqi
return t; yGb^k R}d
} "K*^%{
} ; c* )PS`]t
&Fch{%S>
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4WQ
96|F
下面就可以修改holder的operator=了 YMn=9EUp
]T>YYz
template < typename T > x}N1Wl=8g
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const &)EL%o5
{ a+n?y)u
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); [g:KFbEY
} kgRgHkAH~
B 5va4@
同时也要修改assignment的operator() cLMFC1=b
t%Y}JKLR
template < typename T2 > .~4DlT
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } QST-!`]v
现在代码看起来就很一致了。 [xPO'@Y
mzTM&@
六. 问题2:链式操作 @ds.)sKA>
现在让我们来看看如何处理链式操作。 :?7^STc
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。 rf$eg
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。 /6p7k
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。 diF2:80o
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct <U""CAE
pKk{Q0Rt
template < typename T > Dn;$4Dak(
struct result_1 y Xi$w.gr
{ !p4FK]B/u
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; [JVUa2Sm
} ; "J3n_3+
"ODs.m oq
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: RSf*[2
l' a<k"
template < typename T > n UD;y}}n
struct ref w;T?m,"
{ HQ3kxOT
typedef T & reference; *lp{,
} ; P vS\
template < typename T > 1?T^jcny:M
struct ref < T &> 4iZ7BD
{ T@DT|lTI
typedef T & reference; ww~gmz
} ; Iy{&T#e"
(t-JGye>
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: mRY~)<!4&
@{8SC~ha
template < typename T > 4> (OM|X=9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 5> =Ia@I
{ n0=[N'Tw3
return l(t) = r(t); >)iCKx
} |", /
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。 v
iM6q<Ht
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Z_?r5M;
GvD{ I;
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 1;y?!;FD
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: OW8"7*irT
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 A(qy>x-BI
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 e/ V8lo
最后的布局是: \g\,
Add 8@4)p.{5I
/ \ *'ex>4^
Divide 5 5TcirVO82
/ \ ik|iAWy
_1 3 'B$qq[l]S
似乎一切都解决了?不。 E.OL_ \
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。 q|ww fPez7
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。 R9V v*F]m@
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: 5y|/}D>
a`uHkRX
)U
template < typename Right > {t<U:*n2
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ]abox%U=%
Right & rt) const _l!TcH+e
{ +;wu_CQu
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /YH5s=
} ih/MW_t=m=
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 =lqGt.x
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。 j`kw2(
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。 L;k9}HWpP
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。 06S-3bis
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。 N6_<[`
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? @-Js)zcl 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: or1D
6*'
&B5@\Hd;
template < class Action > }[*BC5{>
class picker : public Action o w<.Dh
{ ]
6rr;S
public : ,V2,FoJ 9
picker( const Action & act) : Action(act) {} r(QjVLjj`k
// all the operator overloaded !|gln)|A
} ; :svRn9_8H
5n'C6q "
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;d#*}n\p
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: 7'9~Kx&+
Iz<}>J B
template < typename Right > 6Q.6
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Ad:)5R o
{ @SV.F
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 7-hSso.'
} 8_@#5
hE"a ( i
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > _PeBV<
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。 amK.H"
Fn~?YN
template < typename T > struct picker_maker ^s&1,
{ >O:j.(*!
typedef picker < constant_t < T > > result; @4N@cM0
} ; K)C9)J<
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > %l7|+%M.{
{ 8'B
typedef picker < T > result; "##Ylq( "
} ; J9
iQ W
#{8n<sE
下面总的结构就有了: EJrn4QOs
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`8bh~7
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。 vpGeG
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 3,cZ*4('d
至此链式操作完美实现。 lJloa'%v9
iCYo?>
^Pk-<b4}
七. 问题3 tOK lCc
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。 {$ghf"
>}~Pu|
_S
template < typename T1, typename T2 > b4$-?f?V
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const P+Ta|-
{ D d$ SQ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); cDS6RO?
} W/m,qilQI
KXP^F6@l
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: +)4_1i4"x
jHj*S9:`
template < typename T1, typename T2 > od\Q<Jm}
struct result_2 "&ElKy
7j
{ lxpi
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ?6gC;B
} ; N!}r(Dd*
i#M$i*H*A
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢?
d!%:Ok
这个差事就留给了holder自己。 4epE!`z_&
i(XcNnn6
*LbRLwt
template < int Order > Ih]'OaE
class holder; I-Ya#s#m
template <> lth t'|
class holder < 1 > W`KRaL0^
{ a~_5N&~pi
public : 8pfQAzl
template < typename T > ZS@Cd9*
struct result_1 ptXLWv`
{ 4A_}:nU
typedef T & result; %z&=A%'a
} ; ]R8}cbtU
template < typename T1, typename T2 > '1[}PmhD
struct result_2 +IiL(\ew
{ ~7tG%{t%
typedef T1 & result; u:Q_XXT5
} ; S"iz
fQ@
template < typename T > UGNFWZ c
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {]aB3
{ &n.7~C]R
return (T & )r; [WDtr8L
} n"'1.
template < typename T1, typename T2 > Htseu`>_$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 0i2ZgOJ
{ |RBgJkS;8
return (T1 & )r1; .6yC' 3~;o
} #TLqo(/
} ; C< GS._V&
ceDe!Iu
template <> H=OKm
class holder < 2 > xA DjQ%B
{ o:<gJzg
public : ,[rh7_
template < typename T > t'bzhPQO)f
struct result_1 `b^eRnpR
{ OchIEF"N
typedef T & result; 72qbxPY13h
} ; 3_JxpQg
template < typename T1, typename T2 > E"e <9
struct result_2 $=/.oh
{ Hf
]aA_:
typedef T2 & result; $0C1';=^}
} ; 8}FZ1h2
4
template < typename T > beyC't
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Farcd!}
{ /`YHPeXu
return (T & )r; ;Jex#+H(:D
} Zs
_Jn
template < typename T1, typename T2 > I^pD=1Y]
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Yl[GO}M
{ ALqP;/
return (T2 & )r2; /F;b<kIy8
} 75j`3wzu
} ; '"{ IV
_C3l2v'I$
N-fGc?E
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> >。 \e%H5Wx
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: \vVGfG?6
首先 assignment::operator(int, int)被调用: zmH 8#
kK]JN
return l(i, j) = r(i, j); /xmUu0H$R
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) z\Vu`Yz
^zPa^lo-
return ( int & )i; 85U')LY
return ( int & )j; `wt*7~'=
最后执行i = j; lLy^@s
可见,参数被正确的选择了。 P8jXruZr
\8%64ZL`
zfDxc3e
J>(I"K%
<S'5`-&
八. 中期总结 q| p6UL9
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: sM)n-Yy#9
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 E9_aNYD
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 9H~3&-8&
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor LMchNTL
` V}e$
\'I->O]
.80^c
R8a4F^{*
]2kgG*^n"
九. 简化 l][{
#>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。 [U_Su,
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ViqcJD
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: 0;,4.hsh
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ZOGH.`
+-*/&|^等 [m7^Euury
2. 返回引用。 8<}f:9/
=,各种复合赋值等 |7Z7_YWs
3. 返回固定类型。 (J(JB}[X,
各种逻辑/比较操作符(返回bool) &]gw[
`
4. 原样返回。 v=15pW
operator, nlaJ
5. 返回解引用的类型。 E5.3wOE
operator*(单目) LyM"
6. 返回地址。 hC@oyC(4
operator&(单目) L
M
7. 下表访问返回类型。 tmF->~|
operator[] F%!ZHE7
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ,>X
+tEgR
operator<<和operator>> y>T:fu
f6x}M9xS%
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。 pj. }VF!d
例如针对第一条,我们实现一个policy类:
Bd$i%.r
@RW=(&<1
template < typename Left > e*w2u<HP
struct value_return au'Zjj/Ai5
{ ?9#}p
template < typename T > 1*aw~nY0
struct result_1 FVOR~z
{ c?;~Z
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; T0xU}
} ; *C*n (the
5/-{.g
template < typename T1, typename T2 > Td%[ -
struct result_2 @Y":DHF5q
{ i9?$BZQ[R
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; (rV#EA+6[`
} ; aW-'Jg=@H^
} ; >gqM|-uY
.JIn(
XPnN"Y"y
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait .^BL7
W$=MuF7R
下面我们来剥离functor中的operator() C<Q;3w`#1j
首先operator里面的代码全是下面的形式: Tl9KL%9
_MfXN$I?}
return l(t) op r(t) g+Z~"O]$M
return l(t1, t2) op r(t1, t2) &Pu}"M$[MH
return op l(t) _]W
{)=ap
return op l(t1, t2) Ar4@7
return l(t) op Z)B5g>
return l(t1, t2) op -}nTwx:|5u
return l(t)[r(t)] ^Wk.D-
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] 6j9P`#Lt
|V#h
"s
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: 8w &