一. 什么是Lambda r^Mu`*x*
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 _qp^+
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, sMDHg
wgcKeTD9
Y7GHIzX
9k*1_
class filler ZD#{h J-
{ 1=Y pNXX
public : LQ{z}Ay
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} g+pj1ycw/
} ; ^77X?nDz=h
* R_mvJlT
Z~6PrM-M
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: %<yH6h*u
1<E:`,Mn?
+AkMU|6
>!BZ>G2
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); i"GCm`
|S.;']t+
!McRtxq?~
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Kn`-5{1B|
-;RW)n^n
vE$n0bL2
.]y"04@]
二. 战前分析 x~n]r[!L
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 D&/~lhyNZ
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Sc,ajT
<-s5
;xwtS
8i Xt8XY3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ODyKS;
/* --------------------------------------------- */ ;Sw%t(@
vector < int *> vp( 10 ); a8v9j3.
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); y%@C-:
/* --------------------------------------------- */ WP ~]pduT
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); vf/|b6'y
/* --------------------------------------------- */ XFJz\'{
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 7Ug^aA
/* --------------------------------------------- */
y8/+kn +
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); w)Wg 8
/* --------------------------------------------- */ BU=;rz!;
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); @*"H{xo.U
p8|u 0/;k
HWOOw&^<
Vm]u-R`{
看了之后,我们可以思考一些问题: <NlL,
1._1, _2是什么? TV[@!E a
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 1<$z-y'
2._1 = 1是在做什么? j=y{ey7Fd
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。 h-6zQs
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。 "e@?^J)
G{ 4lgkyy
:~4M9
三. 动工 ,!Q^"aOT:
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: |]+PDc%
MGfIA?u
_}3NLAqg
29kR7[k
template < typename T > }&Kl)2:O
class assignment AroYDR,3+
{ -H9WwFk
T value; P^J #;{R
public : 5rlZ'>I.
assignment( const T & v) : value(v) {} t;L7H E@Y
template < typename T2 > ;'P<#hM[$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } +xn59V
} ; tA {?-5
;|AyP
+~f5dJyk`
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 E)]RQ~jY?
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment VK3e(7b
m(p0)X),_i
(U^f0wJg
gQ=l\/H
class holder Zt"3g6S
{ A`ScAzx5{
public : H:!pFj
template < typename T > &7L g)PG
assignment < T > operator = ( const T & t) const |tdsg
{ c'&\[b(m
return assignment < T > (t); z%44@TP
} '/
*;g#W=
} ; N5|wBm>m
|[/'W7TV%?
Xn*>qm
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: @lTd,V5f
j5V{,lf
static holder _1; B'!I{LC
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 S/)yi
;QqC c!b
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); v/~Lf i
而不用手动写一个函数对象。 VGeyZ\vU
}^]TUe@a
5 ]l8l+
2b^E8+r9
四. 问题分析 I/Q~rVt
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。 -mqL[ h,
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。 Pm==m9
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 +!eh\.u|]
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 U_<k*o@:
下面我们可以对这几个问题进行分析。 HA]5:ck
` 3h,Cy^
五. 问题1:一致性 "T1A$DKw+R
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 'l6SL-
<
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 fO,m_
OR:)
l?:S)[:
struct holder 8<PQ31
{ UIK4]cYC'
// Z:.*fs5
template < typename T > J>Bc-%.Q
T & operator ()( const T & r) const (Ky$(Ubb#6
{ ((T6z$:hA
return (T & )r; Wh^wKF~%
} CM4#Nn=i~
} ; UYvdzCUh
m\@ q2l-
这样的话assignment也必须相应改动: @|d+T"f
sjG@4Or
template < typename Left, typename Right > *s$:"g-
class assignment e7M6|6nb
{ k`NXYf:
Left l; J8?V1Ad{
Right r; ie}?}s
public : H'%#71
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} y4Lh:;
template < typename T2 > gzEcdDD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } "Zu>cbE
} ; |Pq z0n=v
M s Q=1
同时,holder的operator=也需要改动: +%?\#E QJ
lX/:e=
template < typename T > U?A3>
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const {\55\e/C,
{ %:yVjb,Yf
return assignment < holder, T > ( * this , t);
J7p?9
} pReSvF}}C
w:/QB-`%
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。 z9JZV`dNgz
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ^b6yN\,S
$Go)Zs-bL?
return l(rhs) = r; XvI Y=~
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。 `!y/$7p
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: I\@`AU
\CrWKBL
template < typename Tp > O6n]l
class constant_t `u$lSGl
{ FY"csZ
const Tp t; ;TulRx]EA
public : YcN &\(
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _:HQ4s@
template < typename T > A$-\Er+f
const Tp & operator ()( const T & r) const r>g5_"FL
{ Y?\PU{O
return t; {9-n3j}
} C=`MzZ bJ
} ; GuKiNYI_
m-lTXA(
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 1@xdzKua1
下面就可以修改holder的operator=了 fT.MglJcb
;@H:+R+(
template < typename T > B!((N{4H+
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Or:P*l
{ q,>4#J[2;s
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); $Z<x r
} >J/8lS{#
L u1pxL
同时也要修改assignment的operator() 2*a5pFkb
gjn1ha"h%.
template < typename T2 > 5IfC8drAs
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } /i(R~7;?
现在代码看起来就很一致了。 .,\^{.E
kY{;(b3Q
六. 问题2:链式操作 \`R8s_S
现在让我们来看看如何处理链式操作。 rDv`E^\
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 sBLOrbo
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 OM81$Xo=
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。 RaOLy \
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct QypUBf
rUZ09>nDy
template < typename T > ;cGY
struct result_1 .JV y}^Q\
{ f/t`B^}@
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; pd-I^Q3-
} ; >Q:h0b_$U
q^h/64F
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: yw >Frb5p
_pxurq{
template < typename T > LIn2&r:U
struct ref f dJ<(i]7W
{ $hy0U_}6
typedef T & reference; 3Scc"9]
} ; 1p8hn!V
template < typename T > "b) hj?
struct ref < T &> 3~?m?vj|Y
{ J3$@: S'
typedef T & reference; )FN$Jlo
} ; D#gC-,
SGu`vN]
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: iXL?ic
nPk&/H%5hn
template < typename T > &Tg~A9y\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 4hzdc]
a
{ bnJ4Edy
return l(t) = r(t); [_:
GQ
} hii#kB2
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。 Mbn;~tY>
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 @2;cv?i)
,&L}^ Up
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 ja6V*CWb
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: w~yC^`
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 k n/xt
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 T3I{D@+0
最后的布局是: j4u
["O3
Add VOIni<9y
/ \ P3nBxw"
Divide 5 TFAR>8Nm
/ \ "BZ@m:I6hy
_1 3 Hg$7[um
似乎一切都解决了?不。 G #M0
C>n
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 8H|ac[hXK2
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 F)v
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: }9&dY!h +
~+ 9vz
template < typename Right > .h\Py[h<^
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (][-()YV
Right & rt) const @C^wV
{ (4Nj3x
o
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9M5W4&
} [A~ Hl
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 g>k?03;
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Y B,c=Wx
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 (=%0$(S>
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。 -m@PqJF^
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。 'GT^araz
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? ~X3x-nAt
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: 3+(lKd
HUAYtUBH
template < class Action > )W InPW
class picker : public Action V )1.)XC
{ P+=m.
public : h(<>s#=E
picker( const Action & act) : Action(act) {} P|Gwt&
// all the operator overloaded .g1x$cQ1<
} ; 6B|i-b$~
-
jCj_@n
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。 9 M%Gnz
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: RV);^, b
W`NF4 0)
template < typename Right > jT}={[9b
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 8>Cf}TvErx
{ w;j<$<4=7
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _> x}MW+
} T&+3Xi:
2QM{e!9
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > lWtfcU?S[
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 J-<_e??
"lLh#W1d
template < typename T > struct picker_maker V7r_Ubg@K
{ ydo9 P5E
typedef picker < constant_t < T > > result; Y0T :%
} ; W/hzo*o'g
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > r)>3YM5
{ =gD)j&~}_
typedef picker < T > result; Fa[^D~$l*
} ; PJ0~ymE1~G
jH!;}q
下面总的结构就有了: e15yDwvB
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。 -grmmE]/
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。 &1yJrj9y
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 E+qLj|IU
至此链式操作完美实现。 ] xHiy+
7@%qm|i>w
k6&~)7 -f
七. 问题3 *X/Vt$P
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 -^2p@^
SsTBjIX
template < typename T1, typename T2 > ~`FRU/@r
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const cZ|*Zpk
{ v:QUwW
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); <O0tg[ub
} (ct1i>g
|ymW0gh7o$
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: hmo4H3g!N
&gY578tU
template < typename T1, typename T2 > J<"K`|F
struct result_2 d{JI]
!
{ t3Gy *B
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; %xCL&}bY
} ; slPr^)
:38h)9>RK
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? b4cTn 6
这个差事就留给了holder自己。 x5uz$g
=o~+R\1ux+
JI]Lz1i
template < int Order > y EfAa6
class holder; e:nByzdH0[
template <> d9:I.SA)E
class holder < 1 > T$"~Vu
{ [-VH%OM
public : z@3gNY&7.8
template < typename T > !9PAfi?
struct result_1 Ebs]]a>PO
{ jFdgFKc)
typedef T & result; 8iaMr278W
} ; )jgz(\KZ
template < typename T1, typename T2 > Db|JR
struct result_2 Xydx87L/-e
{ i*N2@Z[
typedef T1 & result; RNw#sR
} ; 2WH(c$6PWf
template < typename T > 6AJ`)8HX
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const m<3. X"-
{ 2QbKh)
return (T & )r; 5}hQIO&^%
} qzxWv5UH
template < typename T1, typename T2 > {z_cczJ-
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /c=8$y\%@
{ cQ- #]
return (T1 & )r1; W)r|9G8T
} jRC{8^98
} ; _@XueNU1hS
]@z!r2[
template <> h\@X!Z,
class holder < 2 > u3 LoP_|
{ A2\hmp@A@7
public : VO:
template < typename T > F~eYPaEKy!
struct result_1 U9`Co&Z2
{ >qy62:co
typedef T & result; TxQsi"0c
} ; igTs[q=Ak
template < typename T1, typename T2 > 5Xxdm-0
struct result_2 <ndY6n3
{ Hfj.8$
typedef T2 & result; -2}ons(
} ; [^a7l$fmi
template < typename T > /V+7:WDj
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const GL0P&$h
{ R$u1\r1I
return (T & )r; ?
}ff O
} !sI^Lh,Y
template < typename T1, typename T2 > (bI/s'?K
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const u{uqK7]+
{ :&&s*_
return (T2 & )r2; GBS+ 4xL|
} e@O]c"
} ; "\+\,C
3dZj<(.
X^&--@l}T!
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> >。 cY!Pv
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的:
N6BOUU]
首先 assignment::operator(int, int)被调用: W+GBSl
"usPzp5
return l(i, j) = r(i, j); 7ieAd/:_
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Zr6.Nw
4!ZT_q
return ( int & )i; "tJ[M
return ( int & )j; }3WP:Et
最后执行i = j; %'. x vC
可见,参数被正确的选择了。 7nxH>.,Q>
xp^Jp
7$0bgWi
=_N$0
u!+;Iy7
八. 中期总结 `l70i2xcj
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: * _usVg
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 6e.l#
c!1}
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 `{IL.9M!f
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor >bmdu\j5R
]M "U 'Z
KT(v'KE 1
:T@} CJ
e=#D1
p,(W?.ZDN?
九. 简化 S5H}
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Ks^wX
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 `|92!Ej
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: &Wdi
5T8
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 i&)([C0z$
+-*/&|^等 |RXXj [z
2. 返回引用。 ;/ |tU
o$
=,各种复合赋值等 8090+ (U
3. 返回固定类型。 {7$jwk
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ~`$P-^u88X
4. 原样返回。 -i91nMi]
operator, 33~8@]b
5. 返回解引用的类型。 m'
|wlI[lq
operator*(单目) -V"W
6. 返回地址。 Z rgv*
operator&(单目) G%!i="/9
7. 下表访问返回类型。 4Xwb`?}-
operator[] U ){4W0
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ?h|DeD!s
operator<<和operator>> J5<16}*
x",ktE>9
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。 CQ{{J{pU"
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 68<W6z
Oi@|4mo
template < typename Left > G-:7,9
struct value_return n`jG[{3t&
{ .SSyW{a3w
template < typename T > ug"4P.wI
struct result_1 SL+n y(y
{ <7L-25 =
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ~*^o[~x]\
} ; {F\P3-ub
:hWG:`
template < typename T1, typename T2 > tWaGCxaE
struct result_2 *mYGs )|
{ ;K4uu<e\
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; +9yMtR
} ; eE;j#2SEO
} ; J*6B~)Sp@
7Xh @%[
E7w^A
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait #e@[{s7
i3$G)W
下面我们来剥离functor中的operator() z 9WeOs
首先operator里面的代码全是下面的形式: "Wb KhE
uGYH4
return l(t) op r(t) Y$./!lVY
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 8A-*MU`+
return op l(t) #8BI`.t)j
return op l(t1, t2) _oefp*iWS
return l(t) op *UG?I|l|I
return l(t1, t2) op lKqFuLHwF
return l(t)[r(t)] ?hURNlR_Q
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] ~~t>;
I9#l2<DYlX
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: P^lzbWj^
单目: return f(l(t), r(t)); zQu9LN
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); g~9b_PY9
双目: return f(l(t)); >-w#&T &K
return f(l(t1, t2)); &Rz