一. 什么是Lambda Z0 e+CEzq
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 /fM6%V=Y
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, jdY v*/^
f-tV8
6)eU &5z1?
}PY?
ZG
class filler g loo].z
{ h;KI2k_^
public : {&c%VVZb:Z
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ~;;_POm
} ; 1% )M-io
/z4xq'<
xIo7f
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: VrokEK*qbY
;v6e2NacM'
Eu
)7@
XjwTjgL<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); u[jdYWQa
2r~ Nh](
XfxNyZsy&>
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 >gr6H1
!P!|U/|c
[VPqI~u5)
'}5}wCLA
二. 战前分析 ~^"cq
S(
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。 w
I@
lO\
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 [21tT/
Iq\sf-1E
b['TRYc=:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ):+H`Hcm
/* --------------------------------------------- */ 79%${ajSI
vector < int *> vp( 10 ); /d >fp
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Z3R..vy8
/* --------------------------------------------- */
?#kI9n<O
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); -c=IO(B/
/* --------------------------------------------- */ T[XI
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 5.|rzk>
/* --------------------------------------------- */ _TB\@)\
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); m`9)DsR
N
/* --------------------------------------------- */ %'* |N[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); YS{
,oP-:q!PC
^%d+nKx9nL
hP,1;`[1
看了之后,我们可以思考一些问题: SAG)vmm
1._1, _2是什么? 4:<0i0)5
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。 9~,eu
2._1 = 1是在做什么? oUw-l_ M]
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。 z6G^ BaT'
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。 ~|J6M
uB,B%XHj
r+0)l:{.
三. 动工 oqDW}>.
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: %e%nsj6
JZL!(>tI
@;<w"j`r
]jHB'Y
template < typename T > 317Buk
class assignment ]V@!kg(p8
{ NE9e brK
T value; I/WnF"yP
public : 4g1u9Sc0
assignment( const T & v) : value(v) {} K)Db3JIIk
template < typename T2 > fJE ki>1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ooZ7HTP|
} ; $zmES tcm
v,|;uc+
FcW ?([l
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 \k1Wh-3
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Gcs+@7!b
Ya9uu@F
(rwbF
xJ&StN/'
class holder h'-TZXs0e1
{ 2|%30i,vV
public : ;*Z
w}51
template < typename T > Y5MHd>m
assignment < T > operator = ( const T & t) const m'qMcCE
{ ^m1Rw|
return assignment < T > (t); 6!"15dPN
} ZTmdS
} ; Z@ws,f^e
v8%]^` '
C#-x 3d-{
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: cE*|8'rSf
~!A,I 9
static holder _1; i2j)%Gc}
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 %?wuKZLnc
N{9<Tf *
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 6U/wFT!7$
而不用手动写一个函数对象。 Y*}Sq|y
H1?1mH
K5.C*|w
[U jbox
四. 问题分析 v}_$9&|S
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 f8&=D4)-w
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ixS78KIr
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 D!mhR?t
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 {9l4 pT3
下面我们可以对这几个问题进行分析。 `\Npu
|M
K-~ep
五. 问题1:一致性 5%>U.X?i
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| "7<4NV@yQ
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 X&lkA
(
2d>PN^x
struct holder ifgaBXT55
{ u\E.H5u27
// 16Xwtn72
template < typename T > ]Pd*w`R
T & operator ()( const T & r) const U50X`J
{ df:,5@CJ8
return (T & )r; FFQF0.@EBi
} <K0lS;@K
} ; Sc0ZT/Lm
MYx*W7X
这样的话assignment也必须相应改动: vv8$u3H
$o @?D^
template < typename Left, typename Right > uVO9r-O8p
class assignment qe$K6A %Yd
{ { &qBr&kg
Left l; bR6bS7$
Right r; aFSZYyPxwv
public : eP2 y U
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} {Y@[hoHtF
template < typename T2 > >'T%=50YH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ;I7Z*'5!
} ; VC+\RB#:-
;|^fAc~9{r
同时,holder的operator=也需要改动: *@ o3{0[Z
WIGb7}egR
template < typename T > W[?B@ sdSZ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 9BY b{<0tS
{ UB1/FM4~
return assignment < holder, T > ( * this , t); <h}?0NA4
} 4Oy
c D
_YJw F1e+M
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。 NWpRzh8$u
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 fU}w81oe
i!HGM=f
return l(rhs) = r; Kq?7#,_
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 4J_%quxO
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Rk=B;
z%KChU
template < typename Tp > qb<gh D=j
class constant_t s_[?(Ip{
{ S3<v?tqLr
const Tp t; b#m47yTW9<
public : Mm;)O'XDE
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 4(&'V+o
template < typename T > d;^?6V
const Tp & operator ()( const T & r) const
4[ra
{ S'O0'5U@
return t; JU@$(
} + ND9###
} ; /LD*8 a
3pp
w_?k
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 R3PhKdQ"
下面就可以修改holder的operator=了 +{I\r|
Q.\>+4]1&&
template < typename T > QD<4(@c5|
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ayD\b6Z2.
{ <H)@vW]_
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); w s=T R
} }B-A*TI<h
hmH$_YP}
同时也要修改assignment的operator() qWFg~s#+
cTnbI4S;
template < typename T2 > vy#(|[pL{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } f+6l0@K2
现在代码看起来就很一致了。 GCKl[<9*
Ae#6=]V+^
六. 问题2:链式操作 w}0Qy
现在让我们来看看如何处理链式操作。 q{hq. KZ
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。 $T4PC5.
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。 6S<$7=$=
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。 O2G+
'
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 5dF=DCZ
,7(/Il9
template < typename T > AE711l-
struct result_1 ASvPr*q/
{ *K(xES!b
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 1I`D$Xq~:
} ; 07|NPS
M9K).P=
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ~30Wb9eL
WFd2_oAT
template < typename T > I/aAx.q
struct ref h 3&:"*A2
{ rieQ&Jt"
typedef T & reference; ?N
ga
} ; aK{\8L3]
template < typename T > qM0MSwvC=
struct ref < T &> +joE
{ ECScx02
typedef T & reference; &EPEpN
R
} ; v~\ 45eEA
dx}/#jMa
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: IJ8DN@w9
:RsPGj6
template < typename T > ~@8d[Tb
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Yg[IEy
{ S nHAY<
return l(t) = r(t); l5[xJH
} ~@D%qbN
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 dYd~9
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 <.b$
gX
|S{P`)z%f
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 lF(!(>YZ
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: hD1AK+y
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 i =N\[&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 [bG>qe1}&
最后的布局是: $O'2oeM
Add *fSM' q;
/ \ %j">&U.[
Divide 5 p2vBj. *J
/ \ jtv Q<4
_1 3 j9}0jC2Tb
似乎一切都解决了?不。 LG#w/).^
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 ]$*{<
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。 ^Nw]'e3
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: e@=[+iJc
7omGg~!k(
template < typename Right > i4n
b#
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const &ZN'Ey?
Right & rt) const 0:'jU
{ >iH).:j
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); yZp:hs#
} VaSNFl1_M
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 wLSZL
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。 x{>Y$t]
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。 @>2rz
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。 V6MT> T
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。 93IOG{OAY
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? 4AOS}@~W
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: M/a/H=J
C;q}3c*L
template < class Action > _(`X .D
class picker : public Action :{:?D\%6
{ CQ.4,S}6'
public : Y-q@~vZ]
picker( const Action & act) : Action(act) {} O2]r]9sh*
// all the operator overloaded =6<w'>
} ; f WjS)
`qDz=,)WP
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。 ,{?bM
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: #)A?PO2
ckN(`W,xp
template < typename Right > $&=;9="
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const {]\uR-a(o
{ 3Ge <G
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); AKKU-5
B9c
} C.eV|rc@T
o|qeh<2=x
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > U.Chf9a-
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 *OOa)P{^D
~5 pC$SC6>
template < typename T > struct picker_maker #/t>}lc
{ 92aDHECo
typedef picker < constant_t < T > > result; 4 uy @ {
} ; V87ee,
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > i %hn
{ t+!gzZ
typedef picker < T > result; Ot$cmBhw!
} ; df4^C->:
).+xcv
下面总的结构就有了: t7oz9fSz=?
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 O&gwr
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 9[p}.9/
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ~I\r1Wj;
至此链式操作完美实现。 O3C)N
I\i
_X%6 +0M
I0l.KiBm
七. 问题3 xeYySM=
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 2gL[\/s
/ik)4]>
template < typename T1, typename T2 > +?j?|G
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ADyNNMcx
{ i[ Gw7'f
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); (#-=y~%
} Ag>>B9
e(n2+S#N
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: VJl &Bq+
/2_B$
template < typename T1, typename T2 > Sa[EnC
struct result_2 &FJU%tFA
{ }GNkB
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ZaRr2Z:!
} ; 7<R6T9g
C*{15!d:G
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? ##`;Eh0a
这个差事就留给了holder自己。 U/3e,`c
a(x.{}uG,
}uvKE|umj
template < int Order > XU;{28P
class holder; 4lY&=_K[)
template <> 0l(E!d8&'
class holder < 1 > uD ?I>7
{ p9&gEW
public : ^b"x|8
template < typename T > OP|.I._I
struct result_1 w~Tq|kU[
{ VRd:2uDS
typedef T & result; cy&
} ; (!_X:+0_
template < typename T1, typename T2 > $LxG>db
struct result_2 m0BG9~p|
{ a8bX"#OR&N
typedef T1 & result; ^^4K/XBve
} ; 2\nBqCxR
template < typename T > vGPf`2/j.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const (5Z8zNH`3
{ I*+LJy;j
return (T & )r; >%n8W>^^4
} r|\5'ZMx
template < typename T1, typename T2 > vy{rwZ$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const c]%;^)
{ 0,1L e$)6
return (T1 & )r1; -+
]T77r
} jlRl2 #"
} ; ,yHzo
Qb6QXjN
Q
template <> (6ohrM>Q
class holder < 2 > vk4C_8m
{ DJ1XNpm
public : b[{m>Fa+o#
template < typename T > 4hsPbUx9
struct result_1 /@9-!cL
{ .^[fG59
typedef T & result; Pg*?[^*
} ; abTDa6 /`v
template < typename T1, typename T2 > |aI|yq)
struct result_2 IL+#ynC
{ 4DQ07w
typedef T2 & result; bK_0NrXP
} ; ' D)1ka.
template < typename T > K)Df}fVOc
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const CU#L *kz
{ eHVdZ'%x
return (T & )r; r!=]Q}`F
} gD,YQ%aq
template < typename T1, typename T2 > oglXW8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ]/aRc=Gn
{ "fX_gN?
return (T2 & )r2; ;_?zB NW
} x"(7t3xK
} ; WX%h4)z*
_SMT.lG
}"%!(rx
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 di]$dl|Wi
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: rt5oRf:wY
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Kf:2%_DB
RJtixuvh@
return l(i, j) = r(i, j); 8F O1`%8Oe
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) $Q`yNEc
-,K*~z.l
return ( int & )i; ,GdxUld
return ( int & )j; E<D+)A
最后执行i = j; u4Y6B
]Q
可见,参数被正确的选择了。 )^jQkfL
O tXw/
[ E$$nNs
zVp[YOS&c
jGk7=}nw
八. 中期总结 ^#a#<8Jz
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: VRtbHam
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 &%|xc{i
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 i;[h
9=\/
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor x\Nhix}1D
D 7Gd%
f0-RhR
&q," !:L]
>QYh}Z-/%
;el]LnV!O
九. 简化 HO266M
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。 4/*]`
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 KW&nDu