一. 什么是Lambda L,b|Iq
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 nszpG1U:
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, ;Na8_}
~']&.
ZRXI?Jr%
?jNF6z*M6
class filler u}-d7-=
{ P[rAJJN/E
public : ub`z7gL
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} M>?aa6@0
} ; m\*&2Na
Ynv9&P
k
Zk .]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: Xzx[C_G
3AdP^B<
6C:x6'5[
@9_nwf~X4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Yw~;g:=
ur/Oc24i1n
K,x$c %
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 xZ^ywa_
QO5OnYh
"C:rTIH
U9<_6Bsd
二. 战前分析 /{fZH,!L
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。 ?)!Sm N/
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 -!XrwQyk
#'J~Xk
/;(<fh<bY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ~8jThi
U
/* --------------------------------------------- */ 6PiEa(
vector < int *> vp( 10 ); I`/]@BdgY
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); v\fzO#vj
/* --------------------------------------------- */ 5c<b|
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 2yl6~(JC+
/* --------------------------------------------- */ NlA*\vco
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); rumAo'T/%
/* --------------------------------------------- */ pZu?V"R
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); d>^~9X
/* --------------------------------------------- */ $|Q".dD
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ZvUp#8x(3
Vn)%C_-]A
C@ FxB[
zTkFX67)
看了之后,我们可以思考一些问题: C}Rs[
1._1, _2是什么? .KFA218h*x
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。 XXXljh6
2._1 = 1是在做什么? k|^vCZ<(x
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。 Xf6fH O
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。 3|q2rA
Lqg]Fd
USE [N
三. 动工 nARxn#<+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: n49;Z,[~
u06tDJ[
+VwV5iy[`
0xN!DvCg>.
template < typename T > IS-}:~Pi
class assignment '^hsH1
{ *:?QB8YJ
T value; @o`sf-8x
public : 7`Qde!+C
assignment( const T & v) : value(v) {} |B
9t-
template < typename T2 > kl| g
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } }(m1ql
} ; hl`u"?rg
7@JjjV
c2/"KT
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Z?-;.G*
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ^#2xQ5h
>xZ5ac
I
Jl\'V
V)=Z6 ti
class holder X|,["Az
8
{ cbfDB^_
public : \]t]#D>0
template < typename T > &i)helXs]
assignment < T > operator = ( const T & t) const ^s=*J=k
{ ]}.0el{
return assignment < T > (t); _wmI(+_
} To pHE
} ; Zgy7!AF!
_FT6]I0
|hc\jb
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: 7"#f!.E
'(tj[&aL
static holder _1; v_.HGGS
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 jKS!'?
w\Iqzpikr
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); S.1(3j*
而不用手动写一个函数对象。 Z0aUHWms
]Y{,N x
ewpig4
bf1)M>g,O
四. 问题分析 )y`i@S}J
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。 ^,`M0g\$
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。 Oo1ecbY
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 C!5I?z&
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 EZ/^nG
下面我们可以对这几个问题进行分析。 |U EC
eSn$k:\W
五. 问题1:一致性 w763zi{
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 1 =^
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 +mLD/gK`
C s#w72N
struct holder _KN:
o10U
{ \ADLMj`F|
// &atyDFJ'
template < typename T > =DC3a3&%
T & operator ()( const T & r) const C B/r]+4
{ /kRAt^4!
return (T & )r; ' Rc#^U*n
} #3+~.,X9
} ; SB/3jH
6}#"qqnx
这样的话assignment也必须相应改动: lH6fvz
n[P\*S
template < typename Left, typename Right > +(&|u q^
class assignment x6v,lR
{ Pj&A=
Left l; v%nP*i9
Right r; X$^JAZ09
public : G|*G9nQ
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} s4bv;W
template < typename T2 > + {e`]t>_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } @Z q[e
} ; 3ev -Iqz
(:n|v%
同时,holder的operator=也需要改动: iZ "y7s
r^5jh1
template < typename T > {m[Wyb(
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 96}eR,
{ X}W)3v
return assignment < holder, T > ( * this , t); TF2KZL#A|
} =?/&u<
;A"\?i Q
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。 :j,}{)5=
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 T?rH
,$:
q:]Q% IC^
return l(rhs) = r; $8g42LR'
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。 x<>YUw8`
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: bLlH//ZRH
#U"1 9@|}
template < typename Tp > (f>M &..
class constant_t M1{(OY(G
{ c1#+Vse
const Tp t; 328L)BmW
public : Mk5RHDh
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} JDlBVZ!
template < typename T > RRzP*A%=
const Tp & operator ()( const T & r) const VB"(9O]
{ MI*Sq\-i
return t; ag;dc
} +|&0fGv;d9
} ; -?fR|[\[U
Yt{&rPv,
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 !_x*m@/
下面就可以修改holder的operator=了 ^P$7A]!
A ~&+F>Z
template < typename T > "~\*If
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Nfb`YU=
{ p6[ (81
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); }_%P6
} _#pnjo
#pA[k-
同时也要修改assignment的operator() #PFO]j!_b
wS$46M<
template < typename T2 > j^EbO3
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } bEI!Ja
现在代码看起来就很一致了。 S^j,f'2
1;&T^Gdj
六. 问题2:链式操作 BIfi:7I;Q
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ?,XC=}
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 '5rUe\k
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 vr4S9`,
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 BX3lPv
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct mx}E$b$<CY
/gw Cwyo
template < typename T > 'n4u-pM(nB
struct result_1 e{!vNJ0`
{ r/PKrw sC
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Xw^X&Pp
} ;
MZ~.(&
GYoseqZM
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: PAoX$q
p+<}YDMb
template < typename T > L_?$ayZ;
struct ref x+:zq<0|
{ aU(tu2
typedef T & reference; j@ v-|
} ; gp/YjUH7k8
template < typename T > _6rKC*Pe1
struct ref < T &> Euu
,mleM
{ M&[b.t*
typedef T & reference; XKSX#cia
} ; } yq
T 2|:nC)@
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: _}ele+
E em
g
template < typename T > N-QCfDao
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const {^m5#f 0"
{ >EIrw$V$
return l(t) = r(t); hdg<bZk:
} TzrW
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。 VDiOO
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3Gd|YRtk
voh^|(:(TH
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 >'Hx1;
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: or.\)(m#(
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 EfKntrom[
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 bNs[O22
最后的布局是: V6*?$o
Add U>A6eWhH
/ \ 0jTMZ<&zZ
Divide 5 PbEQkjE
/ \ FmI;lVF0j
_1 3 4J}3,+
似乎一切都解决了?不。 ^c'f<<z|7r
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 aAcKwCGq\
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 `]{Psc6_=
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 6[+j'pW?
h2;l1G,
template < typename Right > iNLDl~uU
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 5!h<b3u>]
Right & rt) const 7LdzZS0OM
{ )_Iz>)
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); '!@A}&]
} y@ . b
4
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 nx$bM(.
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。 `oXg<tivU
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。 UN(3i(d
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。
uMpl#N p
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。 .hne)K%={y
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? GhiHA9.
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: ~'{VaYk]v
|0]YA
template < class Action > U!NI_uk
class picker : public Action eI?HwP{m
{ &Ea"hd
public : RNe9h lr
picker( const Action & act) : Action(act) {} X TM$a9)
// all the operator overloaded #/s7\2
} ; kyu2)L2u
/+29.1#|
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 D}Au6
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: V8T#NJ
t)!V+Qcb
template < typename Right > iLQSa7
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 0<3E
{ n{$}#NdV
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Cy6%S).c
} 0}D-KvjyP
z2v<a{e
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > bl`D+/V
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。 i0b.AA
hd8B0eD'
template < typename T > struct picker_maker gY%OhYtF2
{ y]7%$*
<
typedef picker < constant_t < T > > result; wePI*."]
} ; +\srZ<67
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > F:S"gRKz
{ 'H!V54
\j
typedef picker < T > result; pbPz$Y
} ; a^(2q{*
_TrZ'iL}T
下面总的结构就有了: :q(D(mK
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。 6-ti Rk~
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。 WqR7uiCi
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 O%52V|m}{
至此链式操作完美实现。 "~_$T@^k>
x\6];SXX
%n4@[fG%K
七. 问题3 Q*Y4m8wY
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 O/(3 87= U
#jOOsfH|k
template < typename T1, typename T2 > W,QnU d'N
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const "6NFe!/Y$*
{ 0_YxZS\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ;cM8EU^.
} i_j9/k
KzEuPJ?
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: w$w>N(e
Y|{r
vBKjf
template < typename T1, typename T2 > 'Qm` A=
struct result_2 r
Iya\z1W
{ aukk|/3Ih
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; zWCW: dI
} ; 'hwV
GM)\)\kNF
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? D8r>a"gx
这个差事就留给了holder自己。 3q~":bpAp
=]_d pE EQ
{:};(oz)f
template < int Order > 6%\7.h
class holder; y]QQvCJr3d
template <> 323yAF
class holder < 1 > |k7ts&2
{ Gg}LC+Y
public : Pjj;.c 7_j
template < typename T > bOdsMlJkN
struct result_1 Sg_-OX@f
{ T0*TTB&b
typedef T & result; .swgXiRvs
} ; O9qKwn;q(
template < typename T1, typename T2 > ?v )"%.
struct result_2 %b-;Rn
{ #RLch
typedef T1 & result; QRg"/62WCD
} ; iP#A-du
template < typename T > |$.sB|_
N
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Ybn=Gy
{ b]so9aCz
return (T & )r; |j5AU
} ?Qo_
KQ%sn
template < typename T1, typename T2 > ',J%Mv>Yf
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const m|#(gX|F
{ 5EV8zf
return (T1 & )r1; 8&2gM
} J<5vs3[9
} ; 1CS]~1Yp:
R^u^y{ohr
template <> !Lg}q!*%>V
class holder < 2 > 0\_R|i_`>
{ <-oRhi4
public : .U(SkZ`6
template < typename T > {C0OrO2:
struct result_1 @h7GTA \
{ EbwZZSds1
typedef T & result; Pg8=
} ; -Aym+N9
template < typename T1, typename T2 > VKfHN_m*
struct result_2 3UtXxL&L`
{ M,U=zNPnk
typedef T2 & result; kX .1#%Ex
} ; .;v'oR1x5
template < typename T > Oy`\8*Uy__
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const <^c0bY1
{ @:&dOqQ
return (T & )r; 7XC}C+
} Tu#k+f*s
template < typename T1, typename T2 > <@ex})su
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const B-p5;h>
{ | BWK"G
return (T2 & )r2; WG=r? xE
} ?B:wV?-`
} ; soK_l|z:J
U5%]nT"[]
mNB ]e5;N
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 Bq=](<>>
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: YZu#0)
首先 assignment::operator(int, int)被调用: e7AI&5Eg{
TK?N^ly
return l(i, j) = r(i, j); tD482Sb=
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) r<H^%##,w
g
{wPw
return ( int & )i; 'QS~<^-j"
return ( int & )j; fBh|:2u
最后执行i = j; &
b2(Y4
可见,参数被正确的选择了。 (D3m5fO
j0NPd^
GB Un" _J
.tZ$a_O
>(J!8*7
八. 中期总结 MNE)<vw>
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: %R "nm
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 G2k71{jK
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ;]o^u.PC
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor
v^E2!X
mw.aavB
z1A-EeT
;8kfgpM_
Cagq0-:(p
I#e*,#'S
九. 简化 : |(B[
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。 ur5n{0#
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 3ml|`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: C%&7,F7
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 !WmpnPr1
+-*/&|^等 i.]}ooI
2. 返回引用。 5y)kQ<x"
=,各种复合赋值等 &*}S 0
3. 返回固定类型。 K|&