一. 什么是Lambda =`oCLsz=
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 @}u*|P*
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, gT{Q#C2Baw
FW;?s+Uyx
>{n,L6_t
:1Xz4wkWS*
class filler qCC.^8
{ ah$b[\#C
public : lWk>z; d
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} #<"~~2?
} ; w>&aEv/f
m,_Z6=I:
G^|:N[>B
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: CT<7mi!
VR 8-&N
&ee~p&S,>
<]t%8GB2V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); z]y.W`i
wo{gG?B
|Pax =oJ\M
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 vkV0On
F`W?II?
nsC3
,.8KN<A2]'
二. 战前分析 :uS\3toj
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 l}|%5.5-
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Y;M|D'y+
[#vH'y
<8&au(I,vB
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); h
0Q5-EA
/* --------------------------------------------- */ `:KY\
vector < int *> vp( 10 ); /& {A!.;
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); kd(8I_i@
/* --------------------------------------------- */ %3-y[f
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); '3fu
/* --------------------------------------------- */ %JBz5G
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); V! A~K
/* --------------------------------------------- */ bl;1i@Z*M
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ql{OETn#
/* --------------------------------------------- */ #&aqKVY
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); '[:D$q;
UKvW Jnz
}@+0/W?\.
lT?v^\(H
看了之后,我们可以思考一些问题: CYP q#rd
1._1, _2是什么? <{cQM$#
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 E6ElNgL
2._1 = 1是在做什么? Ya"a`ozq
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 WX?IYQ+
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 PiIpnoM
"ne?P9'hF
a~}OZ&PG
三. 动工 l<LI7Z]A
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: +gtbcF@rx
24*XL,
.j0$J\:i
*zvx$yJ?
template < typename T > "(~^w=d:$
class assignment WlC:l
{ kfY}S
T value; K`zdc`/
public : Fj3a.'
assignment( const T & v) : value(v) {} q ^N7I@Y
template < typename T2 > SsDmoEeB[
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } MaQqs=
} ; 7WS p($
k)=s>&hl
K;H&n1
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 oQVgyj.
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment H3=qe I
s$`0yGmQ
eJX9_6m-
aSQ#k;T[
class holder ~4Fvy'
{ |3"KK
public : %pL''R9VF
template < typename T > :{l_FY436
assignment < T > operator = ( const T & t) const Jk
n>S#SZ
{ 3~{:`[0Q
return assignment < T > (t); j>" @,B g*
} V6X 0^g
} ; xOmi\VbM
3,qr-g|;jM
oAeUvmh
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: } (73Syl#
z$. 88^
static holder _1; n 0L^e
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 =X:Y,?
'_FsvHQ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); E]-/Zbvdv
而不用手动写一个函数对象。 jm/`iXnMf
uHzU-FZ|B
<`r>h
yWo; a
四. 问题分析 {cVEmvE8
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。 "@0]G<H
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。 ?IT*:A]E
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 B[?Ng}<g`
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 7~.9=I'A
下面我们可以对这几个问题进行分析。 y766;
X:J
F{;((VboN
五. 问题1:一致性 je=a/Y=%U{
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?| >_ T-u<E
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 )1`0PJoHE
R$[vm6T?
struct holder $B5aje}i
{ J}K$(;:
// -X2Buz8
template < typename T > M!D3 }JRm
T & operator ()( const T & r) const T}v4*O.,
{ !wh8'X*
return (T & )r; 'e'cb>GnA
} Cjlk
} ; ;+hH
JOeeU8C
这样的话assignment也必须相应改动: M&9+6e'-F
6q.Uhe_B
template < typename Left, typename Right > _g"<UV*H
class assignment FP4P|kl/9'
{ z[qDkL
Left l; {8bSB.?R
Right r; a~y'RyA
public : ^WWQI+pk
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} TJXT-\Vk
template < typename T2 > 07{)?1cod4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5vnrA'BhBU
} ; ?) d~cJ
gT6jYQ
同时,holder的operator=也需要改动: m#\dSl}
(V2fRv
template < typename T > JYHl,HH#z
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const _L=h0H l
{ @_}P-h
return assignment < holder, T > ( * this , t); d<P\&!R(
} V1B5w_^>h'
mxdr,Idx
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。 89(Q1R ?:
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 sdw(R#GE
IyG}H}
return l(rhs) = r; *VxgARIL
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。 3AN/
H
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: U
z>+2m(
fVpMx4&F
template < typename Tp > oe-\ozJ0
class constant_t 3L}A3de'
{ a<bwzX|.
const Tp t; svH !1b
public : B:'US&6Lf'
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} VRB;$
template < typename T > pIqeXY
const Tp & operator ()( const T & r) const Q*~]h;6\{d
{ nZYBE030
return t; ^^D0^k!R
} XU(eEnmom
} ; ER.}CM6{[
O3kA;[f;
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 BLD gt~h#
下面就可以修改holder的operator=了 =Jb>x#Y
RPRBmb940
template < typename T > &^Q/,H~S
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const E hMNap}5"
{ DN:EB@
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ;uP:"k
} *gWwALGo5
wI/iuc
同时也要修改assignment的operator() YNi.SXH
G" "ZI$`
template < typename T2 > <7jW_R@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } -nV9:opD
现在代码看起来就很一致了。 pZy~1L
-(H0>Ap
六. 问题2:链式操作 9x=Y^',5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 KPUV@eQ,
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。 $~T4hv :
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。 R4:b{ )=O
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。 CzrC%x y
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct (n_/`dP
92oFlEJ
template < typename T > \,0oX!<YY
struct result_1 --BW9]FW
{ 1bwOmhkS
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; aK^q_ghh[
} ; R0*|Lo$6
uoh7Sz5!^
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: tc_ 3sC7jN
6(-N FnT
template < typename T > 63IM]J
struct ref Cq~dp/V
{ Wmv#:U
typedef T & reference; Ml-6OvQ7g
} ; uW
%#
template < typename T > S{T >}'y
struct ref < T &> ~*];pV]A[
{ 7;@]t^d=$
typedef T & reference; j^RmrOg,
} ; dioGAai'
sc#qwQ#
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 19%imf
E|shs=I
template < typename T > ")p\q:z6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ('+d.F[109
{ kvu)y`
return l(t) = r(t); S)"Jf?
} )Hr`MB
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。 mgU<htMr1
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 7D_=
b4Ekqas
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 +k R4E23:
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: - " 9
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 :e+jU5;]3
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 C~exi[3
最后的布局是: :NTO03F7v
Add C\hM =%
/ \ &_8947
Divide 5 {R{=+2K!|k
/ \ a(ZcmYzXU
_1 3 w5 Li&m
似乎一切都解决了?不。 gbD KE{
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。 H3oFORh
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。 pT6$DB#
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: :\_ 5oVb
Zx>=tx}
template < typename Right > ti,d&c_7
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const <9b&<K:
Right & rt) const W\V.r$? v
{ hOK8(U0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); }c:M^Ff
} @IZnFHN
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 7F.4Ga;
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。 |k00Z+O(
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。 %J-GKpo/S
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。 -$Ih@2"6
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 }Ou}+^Bc
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? /G`]=@~
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: 8H`[*|{'
MiX 43Pk]
template < class Action > RT8 ?7xFc
class picker : public Action w&.aQGR#
{ -trkA'ewZ
public : a$fnh3j[
picker( const Action & act) : Action(act) {} Vi|#@tC'
// all the operator overloaded wb ;xRP"w
} ; j5h-dK
K:WDl;8(d
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。 a,o*=r
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: DVeE1Q
o5)<$P43
template < typename Right > f%8C!W]Dm
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const
{K!)Ss
{ HK%7g
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )LCHy^'
} ]I6 J7A[
Zb#u0Tq
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > BFt> 9x]T
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。 `
G
kX
6wg^FD_Q
template < typename T > struct picker_maker dD@(z:5M\
{ HE\K@3-
typedef picker < constant_t < T > > result; ?r!o~|9|
} ; DW3G
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ^kSqsT"
{ K.yb
^dg5
typedef picker < T > result; -7|H}!DFT
} ; |&4/n6;P$0
Y\hBd$lQ~
下面总的结构就有了: [.}oyz;}N
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。 7mfS*aCb
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。 ,iwp,=h=
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >5
BJ3Hf
至此链式操作完美实现。 o<!?7g{
-%4,@
x`
a09<!0Rp
七. 问题3 3= ;<$+I6
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 k|f4Cf,
\.}c9*)
template < typename T1, typename T2 > *gz{.)W
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const e8b:)"R
{ a-J.B.A$Z/
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); S5EK~#-L[
} |vzl. ^"-
L{Vqh0QD&
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: Jfl!#UAD|n
rQ snhv
template < typename T1, typename T2 > eJ81-!)
struct result_2 '/%H3A#L
{ J4U1t2@)9
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; wwcBsJ1{
} ; l}M!8:UzU
_u9Jxw?F@Y
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? kg\>k2h
这个差事就留给了holder自己。 E&:,oG2M
@`Su0W+.
)}O8?d`
template < int Order > *}W_+qo"
class holder; 6;5Ss?ep
template <> 13/]DF,S"^
class holder < 1 > jZrq{Z<
{ B4 }bVjs
public : ~4cC/"q$X
template < typename T > '@P^0+B!(.
struct result_1 K!l5coM
{ .(2ik5A%9
typedef T & result; ,~W|]/b<q
} ; ^sWT:BDh
template < typename T1, typename T2 > Pg7Yp2)Oli
struct result_2 0#^v{DC
{ QkC(uS
typedef T1 & result; 9=2$8JN=(l
} ; X!g#T9kG
template < typename T > |$_sX9\`?|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const D.XvG _
{ QP J4~
return (T & )r; VVOd]2{
} FaJ &GOM,
template < typename T1, typename T2 > u,4eCxYE$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 3=ymm^
{ jo@J}`\Zt
return (T1 & )r1; <Q?F?.^e
} >[*qf9$
} ; _:27]K:
{Y9q[D'g .
template <> ,zY$8y]
class holder < 2 > "snw4if
{ wj0\$NQ=x
public : ]z9=}=If
template < typename T > h.t-`k7
struct result_1 PwLZkr@4^
{ P";'jVcR
typedef T & result; 5XBH$&Td
} ; }vM("v|M
template < typename T1, typename T2 > o"#\
>
struct result_2 Q'0d~6n&{
{ ^J;bso`
typedef T2 & result; d>C$+v>
} ; ,nm*q#R,0
template < typename T > _5N]B|cO
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 3$9W%3
{ sLAQE64\"
return (T & )r; /I0%Z+`=
} Y0-n\|
template < typename T1, typename T2 > Jg|XH
L)
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const k\GcHI-
{ e**qF=HCw
return (T2 & )r2; oM`0y@QCf
} "a U
aotx
} ; 6 ~w@PRy
9;-p'C
6V01F8&w
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> >。 B_m8{44zM
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ^ (zYzd
首先 assignment::operator(int, int)被调用: !d0kV,F:
V33T+P~j
return l(i, j) = r(i, j); WEi2=3dV
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) pg)WKbV
:&9s,l
return ( int & )i; ^3L0w}#
return ( int & )j; [E juUElr
最后执行i = j; Z}Ft:7
可见,参数被正确的选择了。 VS8Rx.?
&FN.:_E
wEvVL
bB3powy9
y/ef>ZZ
八. 中期总结 @QP z#-
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: `&c kZiq
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义
7\Y0z
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 _.Uh)-yR
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Cd}<a?m,
mSh[}%swj
PBTnIU
6zuTQ^pz
x)O!["'"
JO6)-U$7UG
九. 简化 N~zdWnSZ@G
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 UJ')I`zuI
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 @O^6&\s>
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: R|87%&6']
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 a'yK~;+_9
+-*/&|^等 @>Km_Ax
2. 返回引用。 h^(*Tv-!
=,各种复合赋值等 aNspMJ
3. 返回固定类型。 PmEsN&YP]
各种逻辑/比较操作符(返回bool) >$/>#e~
4. 原样返回。 fdi\hg^x
operator, Sp]0c[37R
5. 返回解引用的类型。 uo%)1NS!
operator*(单目) "CQa.%
6. 返回地址。 ['tY4$L(
operator&(单目) nV/G8SeI
7. 下表访问返回类型。 IDriGZZ<)6
operator[] #r~# I}U
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 h( u8&MHx
operator<<和operator>> ~H<6gN<j(.
~/iKh11
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 b&N'C9/8
例如针对第一条,我们实现一个policy类: LxSpctiNx
9ZsVy
template < typename Left > fW1CFRHH
struct value_return J$w<$5UY
{ 8COGsWK
template < typename T > CXx*_@}MU
struct result_1 o&)8o5
{ .|>3k'<l
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; t:
;Pj9
} ; 2,b(,3{`4:
Ma']?Rb`
template < typename T1, typename T2 > $$;M^WV^?.
struct result_2 vDhh>x(
{ .K2qXw"S#
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; Q}K"24`=
} ; b)5uf'?-
} ; UapC"XYJ
x$.^"l-vX
J~zUp(>K
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait iDz++VNV
l<LP&
下面我们来剥离functor中的operator() *-=(Q`3
首先operator里面的代码全是下面的形式: Ls$D$/:q?
l\!fj#
return l(t) op r(t) /hH
return l(t1, t2) op r(t1, t2) )D5"ap]fX
return op l(t) t?-n*9,#S
return op l(t1, t2) =9boya,>
return l(t) op 0$)>D==
return l(t1, t2) op vkx7paY_
return l(t)[r(t)] v6M6>&RR|
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] nn:.nU|I
r4XK{KHn
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: JPc+rfF
单目: return f(l(t), r(t)); *yt=_Q
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); mAj?>;R2$2
双目: return f(l(t)); 3G)#5Lf<
return f(l(t1, t2)); L_uVL#To
下面就是f的实现,以operator/为例 U9:zVy
Jr
,;>
struct meta_divide 6xe*E[#k\
{ a LroD$#
template < typename T1, typename T2 > .9 on@S
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) ['X]R:3h
{ Pmr5S4Ka
return t1 / t2; pMx*F@&nU
} b8`)y<