一. 什么是Lambda D2bUSRrb
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 m@YLZ
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, -}@9lhS,
Df (6DuW
Rd)QVEk>SD
P>|2~YxjU
class filler v&n&i?
{ }^muAr
public : %L3]l
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} q]x@q
} ; F*f)Dv$p
eORt
qX8*
,ME9<3Ac
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: XJ;/kR
YbKW;L&Ff
P*>V6SK>b
0*)79Sz
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); `c(@WK4
|wDCIHzQ
q)*0G*
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 jJ|;Nwm<[
7F.,Xvw&@
J}JnJV8|G
r`2& o
二. 战前分析 E'Bt1u
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 L6m'u6:1{
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 a|.u;
y_6HQ:
YdFC YSiS
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Gkl#s7'
/* --------------------------------------------- */ VI?[8@*Z
vector < int *> vp( 10 ); ze-iDd_y
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); nB.p}k
/* --------------------------------------------- */ nV,a|V5Xm
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); mIyaoIE|$
/* --------------------------------------------- */ |fUSq1//
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ZU`"^FQ3A
/* --------------------------------------------- */ 5M*p1^ >
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); P.o W#Je
/* --------------------------------------------- */ <x/&Ml+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); S'txY\
6
Qmtb2
Sz
=z
TPnO
7%hMf$KQ
看了之后,我们可以思考一些问题: y.zW>Mfl
1._1, _2是什么? \21!NPXH2
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。 WI%,m~
2._1 = 1是在做什么? tm$3ZzP4
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 yxH[uJpb
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。
KLX>QR@
s[hD9$VB>
*d=pK*g
三. 动工 Px<;-H`
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: DD1S]m
]?^mb n
!59q@Mya[
R#0UwRjeF
template < typename T > %EuSP0
class assignment t4h* re+
{ :0J;^@
T value; [Mx+t3M
public : R8HFyP
assignment( const T & v) : value(v) {} 139_\=5|U/
template < typename T2 > +U[A.^t
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ~sOAm
} ; k{; 2*6b0
37VSE@Z+
;aSEv"iWX
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 [ACa<U/
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment v''$qMQ)
T!8,R{V]4
z;T?2~g!
SJ<nAX
class holder 2gA6$s7
{ tlj^0
public : KcHW>IBxdv
template < typename T > Up~#]X
assignment < T > operator = ( const T & t) const .RdnJ&K*
{ \]zHM.E1
return assignment < T > (t); y:m Xv<g
} 8/k*"^3
} ; bO9X;}\6
HN\9d
l2i[wc"9
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: L:7%W dyh
1$4dzI()
static holder _1; "~XAD(T6
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 3>ytpXUEGx
G#UO>i0jy
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 'bTtdFvJ
而不用手动写一个函数对象。 o^mW`g8[
DKR2b`J
k*J0K=U|
Pa+%H]vB
四. 问题分析 y-9Mm9J
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ;tlvf?0!
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 idEhxvAo
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 L\aG.\
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 1GE[*$vuq
下面我们可以对这几个问题进行分析。 W|4:3c4
bZLY#g7L"
五. 问题1:一致性 0
*2^joUv
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?| m9 1Gc?c
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Vmt$]/
/@ m]@
struct holder >4
VN1^
{ Z):q 1:y
// a[I
: ^S
template < typename T > $i1$nc8
T & operator ()( const T & r) const "Doz~R\\
{ 6/6M.p
return (T & )r; {OIB/
} sFt"2TVr3
} ; DHQS7%)f`
I'}&s|6
这样的话assignment也必须相应改动: Kl_(4kQE_
~bf4_5
template < typename Left, typename Right > >cJix
1
class assignment VkFMr8@|
{ *O_>3Hgl
Left l; ia@ |+r
Right r; 2)hfYLi
public : ,Wv+Ek
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} z;DNl#|!L
template < typename T2 > GHY+q{'#V_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } jI Entk
} ; 0nbY~j$A=
zX lcu_rc
同时,holder的operator=也需要改动: PzOnS
8yk7d76Y
template < typename T > .+A)^A
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Jr5dw=B gw
{ >
a;iX.K
return assignment < holder, T > ( * this , t); gFqF&t
} FY<Q|Ov
_o[fjd
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 eSQkW
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 %_."JT$v{
wx^Det
return l(rhs) = r; 0<7sM#sI!
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。 Sl/]1[|mb
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: DkX^b:D*f
`JO>g=,4
template < typename Tp > P -NR]f
class constant_t f0vO(@I
{ R2v9gz;W
const Tp t; XLC9B3Jt
public : To}eJ$8*5
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ^D<CoxG
template < typename T > U0t|i'Hx
const Tp & operator ()( const T & r) const ?z`={oN
{ `6)(Fk--"
return t; l]4=W<N
} SV@*[r
} ; 10fxK
h;,1BpbM
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 1aQm r=,
下面就可以修改holder的operator=了 8T1zL.u>q
m^!:n$
template < typename T > Lo3N)~5
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Xf_#O'z
{ @4hzNi+
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); u"q56}Q?]
} dzEi^*
(8
%ggf|\-e
同时也要修改assignment的operator() 1l$2T
y+
=
"h#R>3I1)
template < typename T2 > *#'j0;2F
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } PQDLbSe)\
现在代码看起来就很一致了。 8'u9R~})
&nP0T-T5y
六. 问题2:链式操作 KEtV
现在让我们来看看如何处理链式操作。 uG^CyM>R`
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。 0K[]UU=P=
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。 lhKn&U
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。 q)i %*IY
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct H0;Iv#S!
T[Zs{S
template < typename T > }9+;-*m/
struct result_1 1(-!TJ{
{ Up{[baWF
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; }:m/@LKB
} ; QQBh)5F
y6nP=g|')>
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: T9
/;$6s*
zbmC?2$
template < typename T > !HvA5'|:}
struct ref k5I;Y:~`
{ SI=$s>1
typedef T & reference; P9/ (f$ =
} ; xj3qOx$
template < typename T > !?nbB2,
struct ref < T &> TI'v /=;)
{ mux/\TII
typedef T & reference; itg_+%^R
} ;
ECOJ .^
0G+Q^]0
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: wb0$FZzh
hx9{?3#
template < typename T > J,F1Xmr4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const )A\
ZS<@Z7
{ Am<5J,<uy
return l(t) = r(t); @@AL@.*
} |NuMDVd+s
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 J#I RbO)
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 9MMCWMV
r{;NGQYs
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 !;eE7xn &
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: J].Oxch&y
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 lL}NiN-)t
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ./#YUIC
最后的布局是: :C:6bDQ
Add h}
`v0E
/ \ 7?*+,Fo#
Divide 5 Vu3DP+u|i
/ \ '^UHY[mX8
_1 3 Zw]"p63eMa
似乎一切都解决了?不。 |J-X3`^\H
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 Y4rxnXGw
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 `HX:U3/
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: |V a:*3u
F7DA~G!
template < typename Right > /j~~S'sw
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Tqt-zX|>
Right & rt) const 6
9>@0P
{ )x6&Y
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); TTXF
r
} q`9.@u@ a
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Xq? >a+B
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 _%e8GWf
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 y\T$) XGV
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。 2FMmANH0ev
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。 (Ceru o S
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? =-r"@2HBq
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: 2R\K!e
/HdXJL9B
template < class Action > |{#St-!-7
class picker : public Action >V"{]v
{ cfTT7O#Dc
public : }F>RIjj
picker( const Action & act) : Action(act) {} [U&k"s?
// all the operator overloaded Y/sav;
} ; k-~}KlP
o@)Fy51DD
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。 ?/.])'&b
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: d:'{h"M6
.\oz
template < typename Right > nE]rPRU}[
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 7J);{ &x9h
{ QD-\'Bp/X
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /4;mjE
} 7m#EqF$P
U^_\V BAk
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > #N][-i
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。 jRsl/dmy
!j $cBf4
template < typename T > struct picker_maker U6-47m0%
{ lat5n&RP Y
typedef picker < constant_t < T > > result; XpANaqH\
} ; |sGJum&=
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > @fA{;@N
{ `oMZ9Gq2E
typedef picker < T > result; N:B<5l '
} ; 'd
N1~Pa
CzlG#?kU?2
下面总的结构就有了: M[qhy.
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 X+Sqw5rH
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 #H6YI3
`G
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 |M?s[}ll
至此链式操作完美实现。 {`):X _$T
huZ5?'/Fg
l$5nv5r
七. 问题3
L]l/w
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 qb;b.P?~D$
Ko&4{}/
template < typename T1, typename T2 > Yz;7g8HI
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const X0L\Ewm
{ e;v"d!H/
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); R?1Z[N
} U?dad}7
Wu6'm&t
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: sSh." H
9qDM0'WuU
template < typename T1, typename T2 > r\QV%09R
struct result_2 Hya.OW{
{ -0 xo6'mD
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; XZN@hXc9:v
} ; >&\.{ aj
} J?,?>Z
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? .(/HU Qn
这个差事就留给了holder自己。 [f:&aS+
Ytc[ kp
PCwc=
template < int Order > q0q-Coh>
class holder; t;Z9p7rk
template <> Jqzw94
class holder < 1 > G(?1 Urxi
{ 4RctYMz
public : [^GBg>k
template < typename T > &_]G0~e
struct result_1 8+Tv@
{ !\|
typedef T & result; b5MU$}:
} ; 9:g A0Z
template < typename T1, typename T2 > 7Cp/{l;d
struct result_2 tJ_Y6oFm=
{ X*MK(aV3
typedef T1 & result; f6J]=9jU
} ; EKO'S+~
template < typename T > G0m$bi=z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 0t7)x8c
{ |%5pzYe
return (T & )r; >o13?-S%e
} q{G8Po$z'
template < typename T1, typename T2 > fJ\?+,
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const p&$PsgR
{ @C^x&Sjm
return (T1 & )r1; ez9F!1
} "*/IP9?]
} ; {/)i}V#RE
[(g2u@
template <> EdqB4-#7
class holder < 2 > Z #
{ $bp$[fX(e
public : W4av?H
template < typename T > UrciCOQf
struct result_1 8mmnnf{P
{ W$wX[
typedef T & result; \z6UWZ
} ; 9W(&g)`
template < typename T1, typename T2 > %Iflf]l
struct result_2 DazoY&AWE
{ ;=IJHk1&
typedef T2 & result; 2o9B >f&g
} ; 8a@k6OZ
template < typename T > R+ \%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const )TVd4s(e
{ raOuD3
return (T & )r; fBZLWfp9
} OO?N)IB@
template < typename T1, typename T2 > $Bncdf
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 2 <OU)rVE4
{ 3
eF c
return (T2 & )r2; zJ(DO>,p&
} Kyk{:UnI
} ; T<>B5G~%
{T^D&i# o
_kRc"MaB
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 68bvbig
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: fnr8{sr.2Z
首先 assignment::operator(int, int)被调用: lr;ubBbT
9 4H')(
return l(i, j) = r(i, j); Q1|6;4L
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int)
{E(2.'d
MC,Qv9m
return ( int & )i; '{~[e**
return ( int & )j; 3^&`E}r
最后执行i = j; f4AN"rW
可见,参数被正确的选择了。 - |DWPU!"
z__t8yc3
GTfM *b
R0#scr
r{d@74
八. 中期总结 w[l#0ZZ
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: NL
`
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 CDtL.a\
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Y~I>mc]
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor [~|k;\2 +
oI`Mn3N
(i(E~^O
UE5,Ml~X
3}phg
!D{z. KO
九. 简化 eJ<P
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 6W3oIt
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 !wd
wo0
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ]<YS7.pT
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 QaEiP n~
+-*/&|^等 PCgr`($U
2. 返回引用。 Jpp-3i.F#
=,各种复合赋值等 `%#_y67v
3. 返回固定类型。 "WGKwi=W
各种逻辑/比较操作符(返回bool) !F~1+V>zP
4. 原样返回。 y_W?7S
operator, tAep_GR
5. 返回解引用的类型。 9cN@y<_I
operator*(单目) YZOwr72VL
6. 返回地址。 )$f?v22
operator&(单目) Z|UVH
7. 下表访问返回类型。 -*w2<DCn
operator[] u:(=gj,~x
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 xo @|;Z>&F
operator<<和operator>>
7|dm"%@
6K8v:yYPa
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 =&"pG`x
例如针对第一条,我们实现一个policy类: "N&ix*($
pcOi%D,o
template < typename Left > ,*lns.|n
struct value_return 5lzbg
{ +U,t*U4,
template < typename T > BDPE.8s
struct result_1 .L#4#IO
{ LR#.xFQ+
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; O(0a l#Fvj
} ; ^qC.bv]&
\&