一. 什么是Lambda /=S\v<z
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 3&KRG}5
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, 4s7&*dJ
ID8u&:
((mR'A|`
4-JyK%m,0
class filler F$te5 `a
{ S)=3%toS>
public : ytyB:# J
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} l3HfaCP6:
} ; QpiA~4
{Xv0=P
'QC'*Hl
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: ZFNg+H/k
dd:vQOF;
D /bF
D2 X~tl5<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Tga%-xr+
't3&,:Y
OZ6:u^OS]
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ,U?^u%
FG)(,?q
aXh~w<5F
<
%{?Js
二. 战前分析 >.&E-1[+:
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。 }0AoV&75
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 #R*7y%cO
#&K? N
g+3_ $qIQ+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); n<e1=L
/* --------------------------------------------- */ C_S2a0?
vector < int *> vp( 10 ); vE&K!k`
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); a[@Y>
/* --------------------------------------------- */ #T++5G
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); r -$VPW
/* --------------------------------------------- */ U<I]_]
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 8,-U`.
/* --------------------------------------------- */ i'p6#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); G>,43S!<
/* --------------------------------------------- */ xq&r|el
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); I+W:}}"j
W<>R;~)
G.]'pn
NK6~qWsu
看了之后,我们可以思考一些问题: @]7s`?
1._1, _2是什么? E?S
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。 OM?FpRVU8
2._1 = 1是在做什么? 1|:'jK#gE
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。 w_#C8}2
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。 ZC"a#rQ
Q'rgh+6
Nr?CZFN#
三. 动工 Y 2[ik<
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: mC}
b>\
^ddC a
W:hTRq
>?[?W|k7V
template < typename T > BAojP1}+,
class assignment )v\ A8)[
{ '&/~Sh$%
T value; yVWt%o/
public : T%4yPmY
assignment( const T & v) : value(v) {} XZT|ID_u"
template < typename T2 > pgPm0+N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } |?
rO
} ; #j'7\SV
mFt\xGa
.EZ8yJj1Q
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 L@.Trso
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Y>x3`f]
.|0$?w
(_AU)
wb ^>/
class holder A<IV"bo
{ :-$TD('F
public : Ld
0j!II(
template < typename T > )}u?ftu\
assignment < T > operator = ( const T & t) const I#;.;%u
{ 2V*;=cv~z
return assignment < T > (t); 8S5Q{[ !
} A4/gVi|
} ; G 2uM 6
f# -\*
>7z(?nQYT^
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: qe/5'dw
xeKm} MN]S
static holder _1; S[{,+{b0
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 #<G:&
_&[ -< cu
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); loUZD=Ph
而不用手动写一个函数对象。 /Mj|Px%
fi%lN_Ev?
92~$Qa\S!
^!$=(jh.
四. 问题分析 %vbov}R
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 *+(eH#_2/
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ?Zb3M
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 J!">L+Zcx
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 n8JM
0 U-
下面我们可以对这几个问题进行分析。 UG4I@@=
J+wnrGoK
五. 问题1:一致性 i-.AD4
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| dh1 N/[
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 x6ayFq=
wUL 5"\
struct holder nZM]EWn
{ ( X+2vN
// f1XM_
template < typename T > &Lbwx&!0b
T & operator ()( const T & r) const L uW""P/
{ <U8w# dc
return (T & )r;
bDD29
} W$W w/mcl+
} ; G-,0mo
w O6>jW
7
这样的话assignment也必须相应改动: KOoV'YSC[(
h92KU
template < typename Left, typename Right > qnqS^K,':
class assignment 8"p rWAN
{ PDLps[a
Left l; N#@v`S
Right r; 7r2p+LP[
public : \7%wJIeyx
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} "<f?.l\+
template < typename T2 > jy_4W!4a
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } e_g&L)
} ; ^/#8 "
D(WV
k
同时,holder的operator=也需要改动: kq([c r
[
$"
template < typename T > `u_k?)lK
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const lkC| g%f
{ \HQ.Pwr 6
return assignment < holder, T > ( * this , t); -B(p8 YH
} ej1WkaR8
I3}]MAE
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 s,l*=<
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 }^P"R[+4u
P>^$X
return l(rhs) = r; A,(9|#%L
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。 UMT}2d%
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: (cV1Pmn
lR mVeq:
template < typename Tp > /LtbmV
class constant_t N/<c;"o
{ M
9NT%7Il
const Tp t; 1=ZQRJW0B
public :
Qstd;qE~
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} DZA '0-
template < typename T > B~J63Os/
const Tp & operator ()( const T & r) const 0-57_";%Q
{ UIU6rilB
return t; ePxAZg$ `>
} .9Dncsnf,`
} ; jj]|}G
madbl0[y.
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4Lz[bI
下面就可以修改holder的operator=了 tV4wkS=R|
$iA:3DM07
template < typename T > NRspi_&4J
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const /zr)9LQY0
{ +}:2DXy@
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); I|;C}lfp
} JNP6qM
I1s$\NZ~]
同时也要修改assignment的operator() DJqJ6 z:'
!1A< jL
template < typename T2 > c>Ri6=C
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ?crK613 t
现在代码看起来就很一致了。 hW6Ksn,*
DbtkWq%
六. 问题2:链式操作 a4Z e!l(
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ][YuJUK8
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。 L>0Pur) [
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。 =EU;%f
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。 x5rLGt
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct (T&(PCw|
u:B=lZ[
template < typename T > pd.unEWwF
struct result_1 ZCMH?>
{ tZFpxyF
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; .RyuWh!5
} ; ^+k= ;nl
NW*#./WdF8
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: m'k>U4
,}9
tJY@E
template < typename T > /}iBrMD{[
struct ref ]v?jfy
{ | h+vdE8
typedef T & reference; FU.?n)P
} ; '/AX'U8Y
template < typename T > {wDe#c{_
struct ref < T &> |ZXz&Xor
{ '$J M2 u
typedef T & reference; sYvlf0
} ; mgM"u94-]
1K R4Wq@
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ?{5}3abB`
PSX
o"
template < typename T > :VLYF$|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const K8_\U0 K
{ VUz+_)
return l(t) = r(t); <aI}+
} rR#wbDr5
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。 ?FV%e
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 6\-u:dvGI?
dy'lM ;@-
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 ~ tN/
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: x~{W(;`!
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 5@I/+D
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 v$g\]QS
p
最后的布局是: "ctZ"*
Add , q{~lf-
/ \ S-</(,E}|
Divide 5 GMoz$c6n_
/ \ B7.&yXWgn
_1 3 }n'W0Sa
似乎一切都解决了?不。 Ae"|a_>fMI
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。 zqZ/z>Gf
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。 i*A_Po
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: {SRD\&J[
\g)?7>M |
template < typename Right > imhE=6{
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ^),t=!;p
Right & rt) const vGI)c&C>
{ yMD0Tj5ZQ
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); \|M[W~8
} /~c9'38
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Pj{I}4P`
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。 P.1Z@HC
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。 bUSa#pNO>
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。 \YF07L]qs-
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。 ]&P 4QT)f
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? %mzDmrzq
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: VRSBf;?
&yOl}?u
template < class Action > ;ZP!:,
class picker : public Action Ae1b`%To
{ (*V!V3E3#
public : PpF`0w=1%l
picker( const Action & act) : Action(act) {} DNyt_5j&:
// all the operator overloaded D-x*RRkpp
} ; s%6L94\t
;z+}|>!
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。 G{Uqp'=G
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: roe_H>
&!HG.7AY
template < typename Right > %|j`;gYV
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const If8
^
{ {]N7kY.W
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); &SPr#OkW
} Lc "{ePFh
L6ypn)l
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > K5??WB63B
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。 ?`6Mfpvj96
cHVu6I?h
template < typename T > struct picker_maker QXEZ?gx
{ Ay%]l| Gm
typedef picker < constant_t < T > > result; b!nA.`T
} ; {BJH}vV1)
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > !FB2\hiM
{ Ln/*lLIOb
typedef picker < T > result; HW"5MZ8E
} ; N4{g[[ T
%>y!N!.F
下面总的结构就有了: 7; ?7q
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。 r|/9'{!
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。 + EKp*Vje
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 I7t}$S6
至此链式操作完美实现。 ^1aY,6I:
yBv4 xKMH
Kf)$/W4
七. 问题3 BAT.>
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 gb[.Ww
vSH-hAk
template < typename T1, typename T2 > fQ_tXY
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const kb~ 9/)~g
{ l^$U~OB8k
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 1 7iw`@
} l
SuNZYaO
<\d2)Iv
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: -;i:bE
m+ #G*
template < typename T1, typename T2 > )]m4FC:
struct result_2 z@jKzyq
{ eq9qE^[Z&
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; U-{3HHA
} ; f&&Ao
jDj=a->e^
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? >}u#KBedE
这个差事就留给了holder自己。 t!>0^['g4
X6?Gxf,
`1FNs?j
template < int Order > +hlR
class holder; ]a:T]x6'
template <> QP@@h4J^
class holder < 1 > a"k,x-EL(
{ a@?ebCE
public : -YipPo"a
template < typename T > 7&V3f=aj6
struct result_1 qs9r$o.\l
{ =Prz|
typedef T & result; 5xH*&GpL7
} ; GB6(WAmr
template < typename T1, typename T2 > s:tWEgZk?
struct result_2 ;\T~Hc}&;
{ a4q02 cV
typedef T1 & result; o+S?j*mv@
} ; b}hQU~,E
template < typename T > H;FzWcm
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const +]Z*_?j9{
{ HLE%f;
return (T & )r; ,%y!F3m
} aZta%3`)
template < typename T1, typename T2 > u:^9ZQ+
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ~k ]$J|}za
{ q+XU Cnv
return (T1 & )r1; SMQC/t]HT
} n+Ng7
} ; L 1q]
"m}N
hoD4
template <> 2W63/kRbU
class holder < 2 > /T 4GPi\lg
{ \F7NuG:m,
public : miY=xwK&
template < typename T > RRGs:h@;
struct result_1 cs]3Rp^g
{ }&EdA;/o_
typedef T & result; 2o0WS~}5
} ; asbFNJG{
template < typename T1, typename T2 > (%{!TJg ZR
struct result_2 2(Nf$?U@0
{ o~VZ%B
typedef T2 & result; =%;TVJk*a
} ; _^F%$K6
template < typename T > Ga;Lm?6-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const byIP]7Ld
{ ;O({|mpS\
return (T & )r; z+Ej`$E{lD
} LlbE]_Z!U%
template < typename T1, typename T2 > l_T5KV
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const qK&h$;~*y
{ !LpFK0rw
return (T2 & )r2; '5P:;zw
} +3-f$/po
} ; QV=|'
S
- QQU>_
eXtlqU$
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> >。 @P<Mc)o^
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: .wcKG9u
首先 assignment::operator(int, int)被调用: C)ebZ3
6
$+b2&V
return l(i, j) = r(i, j); -p20UP 1I
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ^:o^g'Yab
bm(.(0MI
return ( int & )i; HhB'
^)
return ( int & )j; Xm^/t#
最后执行i = j; Xxs0N_va&
可见,参数被正确的选择了。 ,<=_t{^
Y9nyKL
bVds23q
"'U]4Z%q!
;)!);q+
八. 中期总结 :ZU-Vi.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: x7c#kU2A&Z
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 kC0^2./p
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 7^Y`'~Y^
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor [J43]
1tFx
Z#(G
(l:LG"sy\
Ly`FU)
`5t
CmU
!+ ??3-q
九. 简化 -y)g}D%
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。 _SQ0`=+
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 8fQaMn4V
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: RJA#cv~f
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 4>te>[
+-*/&|^等 oJVpJA0IA
2. 返回引用。 .Wvg{ S-
=,各种复合赋值等 Eilo;-El
3. 返回固定类型。 z irnur1
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Z}$1~uyw
4. 原样返回。 e><