一. 什么是Lambda !xMyk>%2
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 SPL72+S`,
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, N40.GL0s
q:-8W[_
$qy%Q]
' R~x.NM
class filler zb~!>
QIz{
{ d> Y9g
public : jh`&c{#*)M
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} El0|.dW
} ; Og%qv
Bj 6
K|Std)6
A7-QOqST(
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: !yH&l6s
?D\6CsNp(2
VbK| VON[
j0o_``
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 8;.WX
R3&W.?C
T
Bfaj4i;_
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 zp"sM
z]
"sf8~P9qy
rO 6oVz#x
x!MYIaZ7
二. 战前分析 of8/~VO
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 T\b
e(@r
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 tp_*U,
]gkI:scPA
kwZ8q-0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |>GtClL
/* --------------------------------------------- */ zXvAW7
vector < int *> vp( 10 ); ;-@^G
3C:
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); w^NE`4 -
/* --------------------------------------------- */ E@R7b(:*
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); HlPf
/* --------------------------------------------- */ Kw&J<H
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); LwkZ (Tt
/* --------------------------------------------- */ ^{-J Y
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); +QuaQ% lA
/* --------------------------------------------- */ P$Xig
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Am!$\T%2
&BCl>^wn}
c&AA< 6pkv
Tw`^
看了之后,我们可以思考一些问题: JpxJZJ
1._1, _2是什么? hPx=3L$
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。 MI!C%
2._1 = 1是在做什么? EG59L~nM
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。 }Hrm/Ni
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。 O@'/B" &
CG@ LYN
S*IF/ fu
三. 动工 ]gHw;ry
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: %-i2MK'A
m/JpYv~
EP'2'51
5)2lZ(5.A#
template < typename T > :Y0*P
class assignment U=QV^I Qm
{ eL#pS=
T value; }9aYU;9D
public : -j`tBv)
assignment( const T & v) : value(v) {} 5"c#OU
template < typename T2 > ( m\PcF
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } @.a[2,o_
} ; 0tC+?
g,7`emOX
?^Q!=W<7
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 |jk"; h
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment bf-.SX~
&o=
#P2Qd
5<GC
=" #O1$
class holder V"#ie
Yn
{ ),mKEpf
public : +tkDT@ `
template < typename T > ,sn
?V~)
assignment < T > operator = ( const T & t) const BEx?
bf@|]
{ dG'aJQw
return assignment < T > (t); weU'3nNN
} >> Z.]
} ; "b8<C>wY
z^T/kK3I
.v9 #|d d+
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: >93vMk~hU
vXAO#'4tm%
static holder _1; 6UG7lH!M
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 =66dxU?}
'0[D-jEr
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 0hnN>?
而不用手动写一个函数对象。 !=3[Bm G
/9,!)/j
2)Grl;T]s
uwXquOw
四. 问题分析 TIbiw
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。 t4/d1qW0
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。 #;)Oi9{9;
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 (y[+s?;WyB
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 xqs{d&W
下面我们可以对这几个问题进行分析。
ztKmB
4%LG Ph
五. 问题1:一致性 %YlL-*7L
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?| fr#Y<=Jo
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 "G].hKgbk*
)pJ}
$[6
struct holder / Of*II&
{ J70#pF
// (,
/`*GC
template < typename T > __fa,kK {?
T & operator ()( const T & r) const )q8w+'z
{ J cL4q\g
return (T & )r; 1N{}G$'Go
} 5 >S#ew
} ; lE=(6Q
yl/-!
这样的话assignment也必须相应改动: zRd^Uks
?n)d: )Ud"
template < typename Left, typename Right > ~1]4 J(+
class assignment w=Ac/12
{
<u]M):b3
Left l; ?`bi8 Ck
Right r; `w` f[dU-
public : C#d.3t
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [APwHIS
template < typename T2 > VNBf2Va
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } %nk]zf..
} ; sG[v vm
T2<?4^xN
同时,holder的operator=也需要改动: {VtmQU?cJ
d]{wZ#x
template < typename T > S
{oW
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const dmI~$*
{
+:k Iq
return assignment < holder, T > ( * this , t); b;G3&R]
} g X75zso
@M-i$
q[4
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。 F7P?*!dx
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 KX D&FDkF
rp^=vfW
return l(rhs) = r; ~~>`WA\G5,
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。 : 8dQ8p;
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: %Hx8%G!
]CHO5'%,$
template < typename Tp > 1BK!<}yI{
class constant_t h+=xG|1R[5
{ ecaEWIOG
const Tp t; N3O3V5':!
public : @{N2I$%6
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ;,2i1m0"
template < typename T > v;m`d{(i2
const Tp & operator ()( const T & r) const o81RD#>E)
{ 6a6;]lsG
return t; sdN@ZP
} cCx@VT`0
} ; ~Cc%!4f'
nb-]fa
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 zG-pqE6
下面就可以修改holder的operator=了 8_byS<b8
5:y\ejU
template < typename T > S:2M9nC
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const _=0%3Sh
{ )45~YDS;t
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); >f+qImH
} NZT2ni4
WV5z~[
同时也要修改assignment的operator() <L'!EcHm%]
4SRjF$Bsz
template < typename T2 > eb1WTK@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } _G3L+St
现在代码看起来就很一致了。 dpAj9CX(
Qp>'V<%m-
六. 问题2:链式操作 1i=lJmr
现在让我们来看看如何处理链式操作。 )(b,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。 s/Ne,v
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。 >-8r|};+
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。 QIl=Ho"c
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ]hE%Tk-
,~8&0p
template < typename T > 03N|@Tu
struct result_1 qZQB"Q.*
{ mq#8[D
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; *<r\:g
} ; P+ejyl,
hA=.${uIO
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: WO;2=[#O;
lU?8<X
template < typename T > CE,0@%6F*
struct ref 78M%[7Cq<i
{ .X1xpi%
typedef T & reference; 7sypU1V6
} ; ]bcAbCZ@
template < typename T > 7Eb |AR
struct ref < T &> +"} #4
{ B`{7-Asc1
typedef T & reference; ?,XrZRF
} ; D[jPz0
\B/!}Tn;
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: zX]4DLl,
813t=A
template < typename T > Rtywi}VV2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const r0^ *|+
{ ,zF^^,lO7
return l(t) = r(t); Cx~,wk;=
} ZNfQM&<d
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 eewlK]
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 'kuLkM,
hl}iw_e
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 cQzUR^oq,
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: cnw?3/J
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 x)+ q$FB
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 " fXs!
最后的布局是: Pk?M~{S
Add 4 H9mKR
/ \ WRCf[5
Divide 5 a~*wZJ
/ \ .@KI,_X6,
_1 3 oaac.7.fV
似乎一切都解决了?不。 z:1"d
R
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。 R)ep1X^
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。 6Pp3*O`/V
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: %2@O,uCo@
R6cd;| fan
template < typename Right > $G<!+^T
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const } *:H\GL
Right & rt) const }Y~<|vZ
{ <nvzNXql
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); D4OJin^}
} 2 xE+"?0
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 q2+`a;_S
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。 MA1y@
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。 sq rY<@%
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。 S7v# `#
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。 }'`iJb\
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? SD_P=?
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: h"}c_lY9
u> @@
template < class Action > %/n#{;c#
class picker : public Action M
o?y4X
{ |=u
}1G?
public : rtxG-a56Q
picker( const Action & act) : Action(act) {} \yhj {QS.k
// all the operator overloaded 1xTNrLW
} ; FZBdQhYF
L#k`>Qn2
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。 ]q`'l_O
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: cj;k{Moc
P.
Kfoos
template < typename Right > 'z9}I
#
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Xmny(j)g
{ d-{1>\-_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); s&d!+-\6_
} wbQs>pc
_aP2gH
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ~ugyUpY"
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。 aY8QYK ;?^
jdf3XTw
template < typename T > struct picker_maker 3D-VePM=`
{ &gdhq~4#
typedef picker < constant_t < T > > result; 7Z<
2`&c7
} ; GZ1c~uAu
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > &{e:6t
{ PfN[)s4F{R
typedef picker < T > result; 7pO/!Lm
} ; >&[q`i{
2TccIv
下面总的结构就有了: Sa9p#OQ
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。 FY9nVnIoI
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。 =m-nvXD
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 {d '>J<Da
至此链式操作完美实现。 yvCX
is
\AOHZ r
\R[f< K%
七. 问题3 P`L, eYc
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。 ePo :::
*&BS[0;
template < typename T1, typename T2 > X:JU#sI
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const rVM?[_'O
{ !j%#7
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 'FM_5`&
} #i 5@G*
888"X3.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: 9j>LU<Z
Z8I0v$LjR
template < typename T1, typename T2 > =rN_8&
struct result_2 9Pql\]9"o
{ 6KE?@3;Om
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; U>hpYqf_
} ; UO(?EELm
SnVb D<
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? ~o27~R ]
这个差事就留给了holder自己。 .#{m1mr
xM:9XhH1
O ]!/fZ;(
template < int Order > :yFmCLZaQ
class holder; l.uW>AoLh
template <> 5ajd$t
class holder < 1 > tHmV4 H$
{ "R0(!3
public : 1StaQUB
template < typename T > b[^|.>b
struct result_1 glomwny
{ 2CRgOFR
typedef T & result; /Jc54d
} ; cuQAXqXC@
template < typename T1, typename T2 > IoCi(N;
struct result_2 mJ'5!G
{ yk/BQ|G
typedef T1 & result; &%;K_asV;
} ; YSru5Q
template < typename T > }K|40oO5
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ' 1D1y'
{ 7e=s`j
return (T & )r; rLE5fl5W
} 5@^['S4%8*
template < typename T1, typename T2 > _n+
5{\z
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const -'uz%2 {
{ qa,i:T(w
return (T1 & )r1; #@:GLmD%
} /TScYE:$HE
} ; ^]TYS]C
Cznp(z
template <> }3=^Ik;x
class holder < 2 > 1q/Q@O
{ )#v0.pE
public : k3UKGP1
template < typename T > zhVkn]z~*
struct result_1 Qsg([K
{ wZb77
typedef T & result; eT@,QA(3
} ; -J^t#R^$`
template < typename T1, typename T2 > (3N;-
struct result_2 ok/{ w
{ #T08H,W/
typedef T2 & result; QBLha']'%
} ; O"emse}Z
template < typename T > 'a=' (,%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const C%Fc%}[
{ Rz"gPU4;`
return (T & )r; .Lp\Jyegs
} Pk^W+M_)~
template < typename T1, typename T2 > +&.wc;mi
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const RP%7M8V){B
{ THmmf_w@
return (T2 & )r2; b$N&sZ
} 6$
ag<
} ; ;`
!j~
]::g-&%Um
u%AyW
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> >。 tB<|7
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Qn`Fq,uvL
首先 assignment::operator(int, int)被调用: v|wO qS
.NT9dX
return l(i, j) = r(i, j); -$o4WSd~
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 5?-@}PL!Y
{xCqz0
return ( int & )i; G'(8/os{
return ( int & )j; /XXy!=1J
最后执行i = j; ~ ":}Rs
可见,参数被正确的选择了。 kGW4kuh)/q
/yFs$t>9
66|$X,
C]NL9Gq`
|WsB0R
八. 中期总结 tQIa6c4|
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: L]{1@~E:q
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 M`tNYs]V
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 NH;.!xq:
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor QN^AihsPi
x?RYt4 S
O9R[F
9;tY'32/
{vU;(eN
0 ![
九. 简化 0%"sOth
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Q3 yW#eD
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 #L9F\ <K
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: @<C<rB8R
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 abkt&981K+
+-*/&|^等 }S6"$R
2. 返回引用。 &z?:s
=,各种复合赋值等 rixt_}aE
3. 返回固定类型。 @h!nVf%fe
各种逻辑/比较操作符(返回bool) /7hC
/!@
4. 原样返回。 WO{ET
operator, D\k'Eez
5. 返回解引用的类型。 mcq.*at
operator*(单目) 48RSuH
6. 返回地址。 zaG1
operator&(单目) Q8^g WBc
7. 下表访问返回类型。 C!}t6
operator[] 6Ej.X)~'K
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 I6rB_~]h
operator<<和operator>> R>R8LIZZc
y-lBaTE9
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。 dQJ)0!B
例如针对第一条,我们实现一个policy类: `!@d$*:'
r0,XR
template < typename Left > cc{^0JT
struct value_return BMYvxSsm
{ kR65{h"gZT
template < typename T > :4/37R(~l8
struct result_1 wAF<_NG#
{ WnL7 A:sZ
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; uO5y{O2W
} ; ;-6
kn&>4/')
template < typename T1, typename T2 > `XrF ,
struct result_2 :EV*8{:aLU
{ <CGABlZ
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; zy'cf5k2
} ; JXq l=/%
} ; >$G'=N:=X&
B3'-:
!dGSZ|YZ
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait f7?IXDQ>!
>8.o
下面我们来剥离functor中的operator() qaiR329fx
首先operator里面的代码全是下面的形式: ,_z"3B)]
]i
Yp
return l(t) op r(t) +jb<=ERV[
return l(t1, t2) op r(t1, t2) &9F(C R
return op l(t) _m*FHi
return op l(t1, t2) Mq52B_
return l(t) op cjwc:3
CM
return l(t1, t2) op ,racmxnv
return l(t)[r(t)] kV:T2}]|H
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] UZx8ozv'
!![HR6"Q
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: ?g9oiOhnG
单目: return f(l(t), r(t)); pB'{_{8aA
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); \EW<;xq
双目: return f(l(t)); qu%}b>
return f(l(t1, t2)); )Y:C'*.r
下面就是f的实现,以operator/为例 .qS(-7<
8 DPn5E#M1
struct meta_divide HwZ"l31
{ @7`=0;g
template < typename T1, typename T2 > Z7dyPR
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) Q/`W[Et
{ V,&A?
Y
return t1 / t2; qh#?a'
} RX?y}BDo0
} ; Cq[<CPAS
OBL2W\{
这个工作可以让宏来做: <