一. 什么是Lambda <z2*T \B!8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ar!`8"
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, >U2[]fu
<-3_tu>l
Z~WUILx,
>
]()#z
class filler kzUP
{ Zd Li<1P*d
public : 1638U1
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} HpQuro'Qh
} ; tsqkV7?
XXe?@w2{
2y"|l
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: BPH-g\q
r^2>60q'
qa!3l b_'M
cc
%m0p
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); u]!ZW&
yH:gFEJ:x
QsN%a>t
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ov@N13 ,$
Sj`GP p
;n"Nv}<C
$7~T+fmF
二. 战前分析 3EHn}#+U
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 c8"9Lv
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 7:cmBkXm
th 9I]g^=t
g`690
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Y#A0ud,
/* --------------------------------------------- */ P*\h)F/3}t
vector < int *> vp( 10 ); H`XE5Hk)P%
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); #K[UqJ+x
/* --------------------------------------------- */ |;[%ZE"
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Go8?8*
/* --------------------------------------------- */ IeZgF>
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 );
FK2* O
/* --------------------------------------------- */ B,f4<
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ~Ip-@c}'j
/* --------------------------------------------- */ OZ'=Xtbn
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); o(w xu)
/Mg$t6vM
h\@\*Xz<v
/%P|<[<
[
看了之后,我们可以思考一些问题: x_yQoae
1._1, _2是什么? $^ wqoW%t
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 "G+g(?N]j
2._1 = 1是在做什么? wVw?UN*rm;
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 \TF='@u.
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 ;#goC N.
3a_=e
B
Rb8wq.LqD
三. 动工 8pEiU/V
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Tw{}Ht_Qq
v_7?Zik8E
[J`%iU
:MIJfr>z
template < typename T > ;B,6v P#
class assignment n*Q~<`T
{ Q=+*OQV29
T value; l[G&=/R@H
public : h:J0d~u
assignment( const T & v) : value(v) {} hyPVt6Gkj
template < typename T2 > v *pN~}5
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } f2abee
} ; {&bjjM
V2&O]bR
zK5/0zMZ
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ZYi."^l
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ev$\Ns^g$3
C1V@\mRi
_(R1En1
p#yq 'kY
class holder L93PDp4v
{ "Q>gQKgL
public : LxcC5/@\~(
template < typename T > }#0i1]n$D
assignment < T > operator = ( const T & t) const \m\E*c
):
{ PqhR^re0.
return assignment < T > (t); %O=U|tuc$
} .o._`"V
} ; h
!yu. v
6w )mo)<X
D #`o
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: Exy|^Dr0
nNN~Z'bG
static holder _1; ^ |xSU_wa
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 }r+(Z.BHM
7jZE(|G-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); b#17N2xkT
而不用手动写一个函数对象。 u@ "nVHgMJ
a
(mgz&*
>l!#_a
++HHUM
四. 问题分析 \Y4>_Mk
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。 yqY nd<K4
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 `7vWyp
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 wOlnDQs
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ixf~3Y8
下面我们可以对这几个问题进行分析。 =`1#fQDt
KliMw*5(
五. 问题1:一致性 "IjCuR;#
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?| %YH+=b:uW
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 npj_i /&g
x3`b5^
struct holder <hS %I
{ +bGj(T%+'
// *i=+["A
template < typename T > FK^JCs^
T & operator ()( const T & r) const Xq"_^
{ kzK4i!}
return (T & )r; &$,%6X"
} 74h[YyVi
} ; qId-v =L
-Tzp;o
这样的话assignment也必须相应改动: {#Lj,o
LhfI"fc
template < typename Left, typename Right > +p:?blG
class assignment (D?%(f
{ 4F-r }Fj3
Left l; BeNH"Y:E
Right r; Gl4(-e'b
public : ek^=Z`
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} <8JV`dTywC
template < typename T2 > :FUefW m
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } }Sxuc/%:
} ; 0G`F Xj}L
sp/l-a
同时,holder的operator=也需要改动:
^"U-\cx
_4#8o\
template < typename T > `Wes!>Vh!
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const wU9H=w^
{ hZ#ydI|
return assignment < holder, T > ( * this , t); N`G*
h^YQ
} }%&hxhR^t3
{hXIP`
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 4)cQU.(*k
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ;x|E}XD
>I~$h,
return l(rhs) = r; Nx%]dOa
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。 WRq:xDRn0
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 7jj.maK
h6yXW!8
template < typename Tp >
`.Oj^H6
class constant_t n%SR5+N"
{ gH0'
Ok'
const Tp t; 7lC );
public : j[^(<R8
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 'V*ixK8R0
template < typename T > e d=pRb
const Tp & operator ()( const T & r) const s!vvAD;\
{ \NiW(!Z}
return t; ?^8CD.|
} xbN)z
} ; SRUg2)d
Eeumi#$Z
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4/z
K3%J
下面就可以修改holder的operator=了 FnoE\2}9
0`LR!X
template < typename T > {.D^2mj|
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const zq:+e5YT?T
{ 0ESxsba
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); e%Sw(=a
} Q)n6.%V/e
P0Q]Ds|
同时也要修改assignment的operator() gB&8TE~Y
t#fbagTON
template < typename T2 > 17\5NgB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } :RxWHh3O
现在代码看起来就很一致了。 S
.KZ)
B7*^rbI:X
六. 问题2:链式操作 h()Ok9]
现在让我们来看看如何处理链式操作。 oPqWL9]
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 )\k({S
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ;fdROI
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 !LG 5q/}&
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct l/wdu(
&n}eF-
template < typename T > cl`!A2F1G#
struct result_1 w_>SxSS7
{ Z4"SKsJT/>
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 65 P*Gu?
} ; Ib~n}SA
*VbB'u:
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: K5h2 ~
|4slG
template < typename T > aJ4y%Gy?
struct ref SY[7<BUZ
{ ;$VQRXq
typedef T & reference; SZ;Is,VgU4
} ; I}Fv4wlZG
template < typename T > VssD
struct ref < T &> hxXl0egI
{ KKCzq
|
typedef T & reference; {mkD{2)KQ
} ; ,?3)L
Oi?+Z:lak
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: }[$qn|
$4*wK@xu
template < typename T > 1+{V^)V?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const FC+}gJ(q
{ 6]Vf`i
return l(t) = r(t); &f;<[_QI=
} RTLA*
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 >" z$p@7
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 :vsF4
dYEsSFB m
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 MnQ4,+ji-
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: k|r+/gIV
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 fFSQLtm?E
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Z [aKic
最后的布局是: pZ IDGy=~
Add 3YFbT
Z
/ \ ^z _m<&r
Divide 5 # },4m
/ \ iE}Lw&x
_1 3 ;%wY fq~P
似乎一切都解决了?不。 5LkpfmR
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。 e2}5<
7
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。 C{5bG=Sg~
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: ) ]y^RrD
_wY<8 F*
template < typename Right > dw"Tv~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const H2cY},
Right & rt) const 2qN|<S&
{
W`d\A3v
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4D4Y.g_x
} RyN}Gz/YN
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 /_?y]Ly[r
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。 Q!T+Jc9N
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。 Za>0&Fnf
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。 b.4H4LV
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。 CZ~%qPwDw
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? <*vWcCS1
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: g?mfpw Zj
hE9UWa.Q>
template < class Action > ,~TV/l<
class picker : public Action B<
6E'
{ xc&&UKd
public : (c'kZ9&
picker( const Action & act) : Action(act) {} Tp.t.Qic
// all the operator overloaded MIn6p
} ; "A>/m"c]*
fPj*qi
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。 "fq8)
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: `:4bg1u
]6*+i $
template < typename Right > |#Q4e51H
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const h%0FKi^
{ (pud`@D;[
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); f-'$tMs
} {0ozpE*(
)d^b\On
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > h=7eOK]
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。 8euh]+
,xzSFs>2
template < typename T > struct picker_maker pn._u`xMV
{ H+O^e l
typedef picker < constant_t < T > > result; c1 ~=
} ; 7XDze(O5
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > _]/&NSk
{ {T=rsPp<@
typedef picker < T > result; t)62_nu
} ; B|zVq=l~
2\'5LL3
下面总的结构就有了: _XP3|E;I/
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。 ,<cF<9h
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。 n?EL\B
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 M,WC+")Z=
至此链式操作完美实现。 by{ *R
l4LowV7
x#0B
"{
七. 问题3 i4p2]Nr
t
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。 $mF(6<w
jaOt"iU.B
template < typename T1, typename T2 > ,iYKtS3
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const <M,A:u\qSQ
{ 5"cYZvGkJ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ;i,:F`b~
} Q&;d7A.@
M)T {6w
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: |-'.\)7:
Hrdz1:#6,
template < typename T1, typename T2 > t&^cYPRfY'
struct result_2 1$^=M[v
{ ;^cc-bLvF
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; HbUadPr
} ; ,VTX7vaH
(!iGQj(m
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 J;y>_
这个差事就留给了holder自己。 VdfV5"
YJ[Jo3M@j0
.}6Mj]7?i
template < int Order > H>/LC* 8-
class holder; KDmzKOl
template <> A8by5qU
class holder < 1 > c{SD=wRt,y
{ 5uJ{#Zd
public : 1X45~
template < typename T > 1MF0HiC
struct result_1 iO?Sf8yJ:
{ kl90w
typedef T & result; faJ>,^V#
} ; /t<C_lLM
template < typename T1, typename T2 > m@W\Pic,j.
struct result_2 HxXCxI3
{ nP+]WUnY
typedef T1 & result; zs_^m1t1s
} ; ,aLdW,<6
template < typename T > 0k7kmDW
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ~=pAy>oV
{ #!n"),3
return (T & )r; G^ 2a<?Di
} DwLl}{r'
template < typename T1, typename T2 > ]PI|Xl
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const U $ bLt
{ J% t[{
return (T1 & )r1; z12c9k%s
} '/@]V
} ; !_|rVg.
U'8ub(:&
template <> *k7vm%#ns
class holder < 2 > 2\:z
{ O [81nlhS0
public : BW61WH?
template < typename T > <f'2dT@6
struct result_1 @Q=P6Rz
{S
{ @fVCGV?'
typedef T & result; 3V"y|q
} ; ~D9VjXfL)
template < typename T1, typename T2 > #Ang8O@y
struct result_2 MDo4{7
{ vX'@we7Q{
typedef T2 & result; Yp_R+a^
} ; 6,C,LT2^(
template < typename T > njk1x
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const zJp@\Yo+
{ cVR3_e{&H
return (T & )r; ARZ5r48)
} l^F%fIRp)
template < typename T1, typename T2 > A-"}aCmik
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^lP_{c
{ R`RLq1WA
return (T2 & )r2; 4rh*&'
} Eoj 2l&\
} ; {\?zqIM
Pw"o[8
UI*^$7z1 +
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ww]^H$In
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: WG{mg/\2(C
首先 assignment::operator(int, int)被调用: }Ot
I8;>
w
:w
return l(i, j) = r(i, j); +!I7(gL
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) -bamNw>|
MBbycI,
return ( int & )i; +n
$ {6/
return ( int & )j; Y]5\%JR
最后执行i = j; +b7}R7:AFH
可见,参数被正确的选择了。 8"M*,?.]
86^xq#+Uw
fC2
\k=.w
C6XTId=y#_
八. 中期总结 sI
u{_b
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: XcS8{
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 PC_#kz
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 r~sx]=/
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor m})q8b!S
+7jr ]kP9
PC| U]
0`KB|=>
M1MpR+7S
5pBQ~m3
九. 简化 <(]e/}
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。 *ay>MlcV2=
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ?,JN?
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: Dj<]eG]
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 iI[Z|"a 21
+-*/&|^等 >@yHa'*9S
2. 返回引用。 3&D;V;ON}_
=,各种复合赋值等 &=sVq^d@qe
3. 返回固定类型。 s<I[)FQVr
各种逻辑/比较操作符(返回bool) <"uT=]wZ=
4. 原样返回。 o@`&
h}
$
operator, [mSK!Y@u
5. 返回解引用的类型。 ^KU:5Bn
operator*(单目) i>9/vwe
6. 返回地址。 {(7D=\eU
operator&(单目) uv++Kj!
7. 下表访问返回类型。 3dnL\AqC
operator[] 1Ftl1uf
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 gc:qqJi)X
operator<<和operator>>
Wt&tu2
=?`5n|A*
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。 .wrNRU7s
例如针对第一条,我们实现一个policy类: y)W.xR
rSIb1zJ
template < typename Left > e&C(IEZ/N;
struct value_return ,`/J1(\nd
{ APT'2-I_
template < typename T > um@RaU
struct result_1 rsP3?.E
{ 71+J{XOC
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; rO%
|PRP
} ; ,w|f*L$
\A\a=A[
template < typename T1, typename T2 > q/,W'lQ\;
struct result_2 WV5gH*uUa
{ ]@o p
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; DT # 1*&-
} ; VT1W#@`e-
} ; `zHtfox!
oJK]oVX9i
=5E G}@
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait H#8]Lb@@:
NDhHU#Q9
下面我们来剥离functor中的operator() YMG{xGPtM
首先operator里面的代码全是下面的形式: ^f{+p*i}:
f/9]o
return l(t) op r(t) 93%U;0w[Nw
return l(t1, t2) op r(t1, t2) i=%wZHc;
return op l(t) guv)[:cd;
return op l(t1, t2) 06I'#:]
return l(t) op E9 QA<w
return l(t1, t2) op `LL#Ai a
return l(t)[r(t)] GEq?^z~i
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] b0]y$*{j
:8U=L'4
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: |b'fp1<