一. 什么是Lambda @&}q}D
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 1 1cWy+8D
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, 07hF2[i
~ Uo)0
]TaN{"
72,rFYvpK
class filler EKp@9\XBC
{ \.g\Zib )
public : )>c>oMgl
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} lqb/eN9(t
} ; IVW1]y
i.:. Y
~i.k$XGA
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: TFcT3]R[rL
_$>pw<
yOvm`9
lq"f[-8a2q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); U#1bp}y
0T>H)c6:\
72veLB
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 x1ztfJd
F!.E5<&7=
wYlf^~#"
CX m+)a-L
二. 战前分析 m5Tr-w$QY
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。 "5A&_E }3
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 Uw4>v:
[ib P%xb
%N#%|2B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $Q*<96M
/* --------------------------------------------- */ 'u` .P:u?
vector < int *> vp( 10 ); ~g7l8H67
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); >*wtbkU
/* --------------------------------------------- */ z(\4M==2O
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 7w1wr)qSB
/* --------------------------------------------- */ nW|wY.
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); boo
}u
/* --------------------------------------------- */ {$ep7;'d
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); `f'K@
/* --------------------------------------------- */ o:6@Kw^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); dZ _zg<
FCkf#
HD N9.5S
07Edfe
看了之后,我们可以思考一些问题: -)~SM&
1._1, _2是什么? -[qq(E
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。 K6olYG>
2._1 = 1是在做什么? wd/<
8>2X
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。 MfmACd^3$
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。 ^`<w&I@
q%5eVG
q:<{% U$
三. 动工 N
D<HXO
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: BIj=!!
G/v/+oX
B&N/$=5m
hb{u'=
template < typename T > 1EyL#;k
class assignment N 75:5
{ 9!><<7TS
T value; MaD3[4@#
public : FE o269Ur
assignment( const T & v) : value(v) {} R=Tqj,6
template < typename T2 > iZZ (4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } -WQ^gcO=7
} ; ?2Kt'1s#
=tU{7i*+
9h0X &1u
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 S"wg2X<
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment .Q)|vq^
/cZ-tSC)o
kg`.[{k
>Yt/]ta4+
class holder iKas/8
{ XW?b\!@ $
public : (Y^X0yA/
template < typename T > O+RP3ox"
assignment < T > operator = ( const T & t) const "@9?QI}
{ <9sO
return assignment < T > (t); F,5r9^,_
} }$\M{#C~
} ; "z<azs
Od?qz1
u`(-
-
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上:
.Gcy>Av
45&8weXO:'
static holder _1; {Q<$Uo6V
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 oy<WUb9W
+ht|N[P
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); VxzkQ}o
而不用手动写一个函数对象。 6'W [{gzl
-TZ p
FT"
,&4qgp{)
i55x`>]&sb
四. 问题分析 [&*6_q"V
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。 Ix|~f1*%
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。 '$ef+@y
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 qOaQxRYm%Y
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 0 'Vg6E]/
下面我们可以对这几个问题进行分析。 s`Cy
a`
"G:<7oTa
五. 问题1:一致性 {iG@U=>
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 3zT_^;:L
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 |;A/|F0-e
VzJ5.mRQ
struct holder ;#MB7A
{ 4Z*U}w)
// OUP?p@%]<
template < typename T > gGMWr.!
8
T & operator ()( const T & r) const na^sBq?\
{ MuBx#M/
return (T & )r; ouHu8)q'r
} _73h<|0
} ; `c+/q2M
Y
qcD-K
这样的话assignment也必须相应改动: eh R{X7J
A>VX*xd
template < typename Left, typename Right > .qob_dRA
class assignment ] xd^% q*
{ _IeU+tS
Left l; t4K~cK
Right r; 'lZ.j&
public : dC}`IR
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} /=?ETth @
template < typename T2 > U.T|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 8j1ekv
} ; UhmTr[&
q8ImrC.'^
同时,holder的operator=也需要改动: AnZclqtb
B}d.#G+_$x
template < typename T > bAr` E
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const D5?phyC[Z
{ [@fz1{*
return assignment < holder, T > ( * this , t); Lhh;2r/?78
} Y\2|x*KwvF
A-CUv[pM
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。 {0!#>["<
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 OlD`uA
X5
ITF)&
return l(rhs) = r; ^/Sh=4=G
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。 m=qOg>k
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: `Pc3?~>0HH
R.s|j=
template < typename Tp > 2i|B=D(
class constant_t %]p6Kn/>
{ c<+;4z
const Tp t; hY<{t.ws
public : 2=ztKfsBhE
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 8RwX=
template < typename T > +\# Fd
const Tp & operator ()( const T & r) const BKU'`5`
{ ~YCuO0t
return t; fRTo.u
} Mp\<cE
} ; 6aOp[-Le
z1,tJH0
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 1px\K8
下面就可以修改holder的operator=了 nws"RcP+Z
bXM/2Z?6
template < typename T > A<YsfDa_d
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const j;K#]
{ -Cid3~mX3
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); +Zk,2ri
} ^Jp*B;
0"[`>K~7a8
同时也要修改assignment的operator() /vE]2Io
!.fw,!}hOD
template < typename T2 > pJ,@Y>
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ED} 31L
现在代码看起来就很一致了。 K
X]oE+:
i[semo\E
六. 问题2:链式操作 rn.\tDeA
现在让我们来看看如何处理链式操作。 cy~oPj]j
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。 j?n+>/sG,
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。 P"7ow-
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。 2Ohp]G
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct @LLTB(@wR
\)m"3yY
template < typename T > GIHpSy`z
struct result_1 >qT 'z$
{ '~-IV0v9
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; h[XGC=%
} ; 6xgv:,
BQ05`nkF
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: ^&c$[~W
nv5u%B^
template < typename T > -+U/Lrt>8
struct ref )WR_
ug
{ 8
|h9sn;P
typedef T & reference; oUW<4l
} ; u}H$-$jE
template < typename T > e9u@`ZC07
struct ref < T &> dYOF2si~%
{ gp|1?L54
typedef T & reference; i+M*J#'
} ; %6 =\5>
:,*eX' fH
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 1(`M~vFDK
hhRaJ
template < typename T > >R,?hWT
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const jOtX
60;
{ DpL8'Dib
return l(t) = r(t); :_d3//|
} I^Qx/uTKw
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ]jM^Z.mI+
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 <6N_at3
)wf\F6jN
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 q"aPJ0ni'
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: W7G9Kx1Y
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 E*v]:kok
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 >mIg@knE
最后的布局是: DacJ,in_I{
Add )@:l^$x
/ \ ehO:')XF
Divide 5 zsTbdF
/ \ VfSGCe
_1 3 lQt% Qx
似乎一切都解决了?不。 vrrt @y
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。 ^GXEJU7U
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。 Qd8b-hg
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: 1
ycc5=.
Z}cIA87U
template < typename Right > "xwM+ AC
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const .`L gYW
Right & rt) const @oH[SWx
{ A1JzW)B
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _dmL}t-
} Ob&W_D^=N
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 y' tRANxQ
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。 LC'F<MpM
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。 \K`jCsT
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。 q6[}ydV
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。 P79R~m`
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? V;[p438o
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: Lk(S2$)*
2bA#D%PHD
template < class Action > zv%J=N$G
class picker : public Action ZzL@[g
{ F2oJ]th.3
public : <%,'$^'DS
picker( const Action & act) : Action(act) {} X!0kK8v
// all the operator overloaded VJ1*|r,
} ; q`loOm=y
:Ee ?K
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 ],?pe
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: .98.G4J>
ul}'{|4
template < typename Right > q,,j',8kq/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const (UW6F4:$
{ (
Yi=v'd
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ^]rxhpS
} u_'nOle
K
G\mKCaI8
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> >
<qn,
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。 L[]^{ O
a@SUi~+3
template < typename T > struct picker_maker i=da,W=0
{ y*KC*/'"
typedef picker < constant_t < T > > result; T 'i~_R6
} ; B "n`|;r5
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > $eCGez<E
{ k.>6nho`TV
typedef picker < T > result; ,|x\MHd?t_
} ; >r:X~XnRUj
D%
@KRcp^b
下面总的结构就有了: j1F w
U
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ]|BojSL_
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 E(/ sXji!
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 104!!m
至此链式操作完美实现。 : ~'Z(-a
3jg'1^c
"8_,tYAH
七. 问题3 .P%ym~S
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 zW)gC9_|m-
E.#6;HHzN
template < typename T1, typename T2 > Xv*}1PZH
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const )[ w&C_>]
{ \Jf9npz3
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); x,-S1[#X;
} ??+:vai2
x.G"D(
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: u
!.DnKu
zg7G^!PU
template < typename T1, typename T2 > NY 4C@@"
struct result_2 \AJS,QD
{ {0fz9"|U
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; =?+w)(*0c
} ; xtsL8-u f
iRouLd
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? rV U:VL`2
这个差事就留给了holder自己。 9C?cm:
FRS28D
sr4jQo
template < int Order > qhN[Dj(d
class holder; .o"<N
template <> @4&,
#xo
class holder < 1 > p~FQcW'a~
{ ~ ;XYwQ"
public : >Pyc[_j
template < typename T > a.CF9m5]c
struct result_1 D8EeZUqU
{ O*ImLR)i+s
typedef T & result; 1 M=
} ; iW;}%$lVX
template < typename T1, typename T2 > dWjx"7^
struct result_2 !4pr{S
{ G#'Q~N
typedef T1 & result; drs-mt8
} ; Vl4Z_viNH
template < typename T > !+=Zjm4L
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const |a>}9:g,=*
{ Y.(v{l
return (T & )r; Q;Q%SI`yT
} yz8-&4YRNd
template < typename T1, typename T2 > PM8Ks?P#u
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ,y{0bq9*2
{
_2#zeT5
return (T1 & )r1; CQ$::;
} ;Na^]32
} ; PaxK^*
AzxL%,_
template <> UDVf@[[hN
class holder < 2 > @+$cZ3,
{ U @)k3^
public : z'T=]-
D
template < typename T > keaj3#O
struct result_1 ia_Z\q
{ 8,_ -0_^$
typedef T & result; y&y/cML?
} ; Rnzqw,q
template < typename T1, typename T2 > B( 8mH
struct result_2 </|)"OD9
{ A3z/Bz4]:#
typedef T2 & result; YWSz84d
} ; rAM*\=
template < typename T > u]P03B
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const hEWx.
{ 0~qf-x
return (T & )r; B~WK)UR
} wKGogf[(%
template < typename T1, typename T2 > 6NzBpur 2H
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const >dyhox2*"
{ eN2dy-0
return (T2 & )r2; G l_\Vy
} A*a7\id!y
} ; Z(KmS(
qFrt^+@
"/Om}*VhD
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> >。 {K<uM'ww>
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 9LH=3Qt
首先 assignment::operator(int, int)被调用: hHCzj*5
<D~6v2$
return l(i, j) = r(i, j); V@$GC$;
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) o>@=N2n
sZ]'DH&_(
return ( int & )i; _2]O^$L
return ( int & )j; ;CA ?eI
最后执行i = j; #FEa 5
可见,参数被正确的选择了。 UOw~rK
|3S'8OeCI
cES;bwQ
$pjf#P8U
TH<fbd
八. 中期总结 d [)_sa
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: qC\]"Z`m
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 r@olC7&
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 6`_! ?u7
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor u\M4`p!g=
kNRyOUy
'G<}U343=8
>~h>#{&
L^3~gM"!
xy$vYDAFw
九. 简化 ]}p2Tp;1
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 RV(
w%g
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 %I_&Ehu
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: GXarUj s
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Yr5iZ~V$
+-*/&|^等 {EOn r1
2. 返回引用。 $<
A8gTJ
=,各种复合赋值等 1a5?)D
3. 返回固定类型。 -Uzc"Lx B
各种逻辑/比较操作符(返回bool) M`)s>jp@w
4. 原样返回。 be&6kG
operator, h0T< :X
5. 返回解引用的类型。 c =jcvDQ6W
operator*(单目) NR;q`Xe-
6. 返回地址。 A
*a{
operator&(单目) Jz=;mrW
7. 下表访问返回类型。 |VTWw<{LX
operator[] J'|=*#
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 }/_('q@s\
operator<<和operator>> $eK8GMxZ#
/uC+.B9k
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 P=f<#l"v
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ,@}W@GGP)
JCM)N8~i
template < typename Left > h |s*i
struct value_return CbnR<W-j
{ OI'uH$y
template < typename T > -X`~;=m>U
struct result_1 K.:6YXVs<
{ {[l'S
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; j'G"ZPw1
} ; 9c"0~7v
`Mo~EHso.
template < typename T1, typename T2 > &Tf=~6
struct result_2 B$K7L'e+-
{ WpZy](,
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; RA*_&Ll&!C
} ; ?whRlh
} ; h-z%C6
Gh>"s #+
Wwn5LlJ^
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait u+%)JhIp
@"q~AY
下面我们来剥离functor中的operator() vG'vgUo
首先operator里面的代码全是下面的形式: [,\'V0
MuCQxzvkhf
return l(t) op r(t) 9`LU=Xv/
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 5O;/ lX!u
return op l(t) OGSEvfW
return op l(t1, t2) a(Gk~vD;"
return l(t) op Pur"9jHa4
return l(t1, t2) op }M"-5K}
return l(t)[r(t)] d&GK