一. 什么是Lambda C9E l {f
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 %y)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, et(/`
-}`ES]
rUEoz |e4a
9r-]@6;
class filler TC[_Ip&
{ o90SXa&l/
public :
Bj09?#~[
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} &sR=N60n
} ; sfNXIEr^
AVVL]9b_2
A"x1MjuqLM
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: gvvl3`S{
vZj^&/F$=g
nv1'iSEeOl
Q}FDu,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); J\<7M8
0* <gGC
Q];gC{I
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 MzT#1~
, C2qP3yg
"u5Hm ^H
.CdaOWM7
二. 战前分析 4J0{$Xuu0
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。 0JQy-hpF
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 UZ0fw@R M
;"SnCBt:>
2|@@xF
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); f I>>w)5
/* --------------------------------------------- */ ?#!Hm`\.
vector < int *> vp( 10 ); kKVd4B[#*
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %[\:
8
/* --------------------------------------------- */ n"vl%!B
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); a]'sby
/* --------------------------------------------- */ wNL!T6"G
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); z!;n\CV @
/* --------------------------------------------- */ 4)BZ%1+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); bhe~ekb
/* --------------------------------------------- */ D.Rk{0se8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); .NcoST9a
jIJVl \i]
wH=
4@OnMj{M
看了之后,我们可以思考一些问题: G7 >
1._1, _2是什么? rs{e6
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。 A!Zjcp|
2._1 = 1是在做什么? V#[I/D
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。 UMwB. *
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。 @%&;V(
$r|R`n =
gS4zX>rqe
三. 动工 A`<#}~A
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: .o91^jt
mbxJS_P
s<gZB:~
kK&tB
template < typename T > q9.)p
class assignment E*ybf'
{ vpXC5|9U
T value; >JwdVy^
public : r@FdxsCnGM
assignment( const T & v) : value(v) {} H`q" _p:
template < typename T2 > 9 tkj:8_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &?>h#H222
} ; K];nM}<
O-Hu:KuIf
I\DmVc\l
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 T:o!H
Xdj^
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment :zfnp,Gv
gP8Fe =]
0fA42*s;
JPfNf3<@My
class holder %<$CH],%
{ +Q_(wR"FS
public : L,!?'.*/]
template < typename T > d=V4,:=S
assignment < T > operator = ( const T & t) const W[PZQCL}K)
{ @Tb
T
return assignment < T > (t); :0IxnK(r&
} _'<V<OjVM!
} ; g0Qg]F5D~
;KJJK#j
kRs[H xI3
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: [:sP Z{
%y.9S=,v,
static holder _1; rt$zM
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 pq_DYG]
%AW5\ EX
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); K:yS24\%
而不用手动写一个函数对象。 j[NA3Vj1P
{Uxah
+#8?y
5~q
y _J~n 9R
四. 问题分析 !iUdej^tx
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 6GX'&z
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Ag}V>i'
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 qd{o64;|
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 S!.aBAW
下面我们可以对这几个问题进行分析。 #n%?}
VaC#9Tp2X
五. 问题1:一致性 1Lz`.%k`:
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| o/buU{)y
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 0CS^S1/[B`
nV 38Mj2U
struct holder F48:mfj1r
{ :p@H
// MbLG8T:y
template < typename T > g`)3m,\
T & operator ()( const T & r) const 84L!r
{ qY\zZ
return (T & )r; (y|{^@
} @z"Zj 3ti
} ; g!~&PT)*
hY+3PNiI@
这样的话assignment也必须相应改动: &b,.W;+
C0/s/p'
template < typename Left, typename Right > Ht?
u{\p@
class assignment udtsq"U_%
{ X@Eq5s
Left l; }`6-^lj
Right r; VOwt2&mZ
public : ?2[=llS4
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} y2>v'%]2
template < typename T2 >
T~8` {^
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } AbUU#C7
} ; @iB**zR/
,'5P[-
同时,holder的operator=也需要改动: ?15k~1nA
/b6Y~YbgU
template < typename T > TFbCJ@X
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const bL_s[-7
{ ehCc
N4V(
return assignment < holder, T > ( * this , t); DamLkkoA
} yGgHd=?
`}k!SqG
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 <kn#`w1U'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 LW_Y
95(c{
l/
return l(rhs) = r; @
:Q];rc
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 9;dP7o
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: (HLy;^#R
%#Wg>6
template < typename Tp > ;w4rwL
class constant_t Xn.zN>mB
{ 9Q=g]int u
const Tp t; TCU|k ,
public : z%ljEI"<C
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} kr8NKZ/
template < typename T > 6_;3
const Tp & operator ()( const T & r) const xp/u, q
{ \s&w0V`Y
return t; mDipP
} RTA9CR)JP4
} ; @SPmb o
<<(~'$~,L
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 }llzO
下面就可以修改holder的operator=了 yHQ.EZ~%
T7m rOp
template < typename T > ^]'p927
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ;5my(J*b
{ E1 *\)q
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *[
Wh9 ,H
} W~W^$A
OI %v>ns
同时也要修改assignment的operator() @U;-5KYYi
yN{Ybp
template < typename T2 > y$*?k0=ZX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } \_@u"+,$W
现在代码看起来就很一致了。 &IT'%*Y:V
5
W(iU
六. 问题2:链式操作 Ul@ZCv+
现在让我们来看看如何处理链式操作。 mwbkXy;8
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 .^@+$}
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。 f:7Y
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。 )~d2`1zGS
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Uo^s]H#:
kKE2~ q
template < typename T > G2a fHL<
struct result_1 Iay7Fkv
{ LU?#{dZ
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; CvQ LF9|
} ; 1Od:I}@
=Z#tZ{"
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: A6iyJFmD
i=o>Bl@f
template < typename T > -rH4/Iby
struct ref <py~(q
{ 54uTu2
typedef T & reference; 5*g@;aR1
} ; e-qr d
template < typename T > 1}[\@n+b
struct ref < T &> H _3gVrP_
{ !}1n?~]`
typedef T & reference; h^hEyrJw
} ; wk9tJ#}
+Ya-h~7;g#
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下:
C&e
M*c\=(
template < typename T > _nx|ZJ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const H:[z#f|t
{ *tRJ=
return l(t) = r(t); "45BOw&72G
} u8o7J(aQsR
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。 9\Xl3j!
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3M1(an\nW
sE/9~L
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 Pv1psKu
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Y%=A>~s*c:
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 {B\.8)&8
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &-cI|
最后的布局是: lq.0?(
Add pQVi&( M
/ \ WM@uxe,
Divide 5 ni%^w(J3Q
/ \ 6_XX[.%
_1 3 }FM<uBKW
似乎一切都解决了?不。 H>DJ-lG(
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。 N_gjOE`x5
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。 (Nik(Oyj"
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: 40g&zU-
l}O`cC
template < typename Right > yaX,s4p
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const /itO xrA
Right & rt) const .}Zmqz[
{ H}U&=w'
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); b7>;UX
} }kOhwT8sI
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 klch!m=d
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。 J25>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。 (nE$};c<b2
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 CJu;X[6
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 fA3
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? yS3x))
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: fmSw%r|pT
\C<rg|
template < class Action > a,j!B
hu
class picker : public Action eQ9x l
{ *Lh0E/5
public : 6B+
@76w H
picker( const Action & act) : Action(act) {} -%t0'cKn,
// all the operator overloaded n[iil$VKh
} ; vfy-;R(
oOUVU}H
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。 J,~)9Kh$
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: 5#d(_
Me`"@{r|#
template < typename Right > *|=&MU*+
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const r?[mn^Bo 5
{ N%?o-IY
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 6u.b?_u
} d3{Zhn@
R]V`t^1
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > jr9ZRHCU
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。 3p^WTQ>(
NK4ven7/
template < typename T > struct picker_maker `r]Cd
{G
{ 2i>xJMW
typedef picker < constant_t < T > > result; T@RzY2tz
} ; @DUdgPA
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > *e8V4P
{ @Td[rHl
typedef picker < T > result; NeK:[Q@je
} ; jOuv\$
Y3Qq'FN!I
下面总的结构就有了: .(Pe1pe
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。 pDKJLa
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。 W*s`1O >
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 4]+ ^K`
至此链式操作完美实现。 r2<+ =INn
IIu3mXAw
Zq`bd55~
七. 问题3 ,v6Jr3
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。 nQP0<_S
TY#1Z )%
template < typename T1, typename T2 > N%_~cR;
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const tL).f:?
{ '|q:h
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); )RkU='lB "
} yNT2kB'
_cJ{fYwYU
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: Q72wg~% w
f,-|"_5;
template < typename T1, typename T2 > cPN7^*
struct result_2 yf8UfB#a
{ T4#knSIlh
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 1uH\Bn]p?
} ; I|ULf
G|MDo|q]
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? M\<!m^~
这个差事就留给了holder自己。 u+R?N%
EKP
2+P3Sii
=L=#PJAPj
template < int Order > '^J/aV
class holder; 000$ZsW?
template <> ~d%Q1F*,=
class holder < 1 > m3XH3FgKz
{ U'lD|R,g
public : "TV.$s$.
template < typename T > 1Efl|lV
struct result_1 "p;DQ-V
{ !'gz&3B~h
typedef T & result; "''<:K|
} ; m0*
B[
template < typename T1, typename T2 > eHJ7L8#
struct result_2 b{ozt\: M
{ ."^dJ |fN
typedef T1 & result; 2%<jYm#'z-
} ; }?~uAU-
template < typename T > O}`01A!u;
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const :aqh8bv
{ Dsua13 hF
return (T & )r; ZB2'm3'bh
} v\k,,sI
template < typename T1, typename T2 > }ri*e2y)
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 2at?9{b
{ /j)VES
return (T1 & )r1; g@y"
B6X
} X|QCa@Foe
} ; UbibGa=
)
9j2I6lGQ
template <> |)4$\<d
class holder < 2 > w@ 5/mf?
{ Hb+#*42v
public : ]dK]a:S
template < typename T > A{J 1 n
struct result_1 *0hiPj:
{ )f!dG(\
typedef T & result; '=~y'nPG7
} ; Z+dR(9otH3
template < typename T1, typename T2 > 5muW*7
struct result_2 {l11WiqQH
{ OT&E)eR
typedef T2 & result; M$W#Q\<*#r
} ; w.Vynb
template < typename T > :I'Ezxv|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const }J?fJ(
{ '*XNgvX
return (T & )r; Q Bw
ZfX
} \l:g{GnoT
template < typename T1, typename T2 > |Hm'.-
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ?iLd5 Z
{ ,?`1ve_K<
return (T2 & )r2; IeB6r+4|
} NslA/"*
} ; :ky<`Jfr`
9$,gTU_a
M96( Rg
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> >。 _o?(t\B9{
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: c9uT`h
首先 assignment::operator(int, int)被调用: a-E-hX2
w~U`+2a3
return l(i, j) = r(i, j); rc$!$~|I3Z
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 6}T%m?/ }
W|#ev*'F
return ( int & )i; euhZ4+
return ( int & )j; 1D[P\r-
最后执行i = j; T{<@MK%],d
可见,参数被正确的选择了。 ?66(t
E.`dk.
{?mQqoZ?.
y<1$^Y1/)
Z&w^9;30P
八. 中期总结 kNj3!u$
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: -p.*<y
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Jo3(bl%u
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 unnx#e]
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor V*zz-
2_i
H 1D;:n
'
f$L
7F(F.ut
S9NN.dKu
m_$I?F0
九. 简化 +qj*P9
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。 /HuYduGdP
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 WQ}!]$<"y
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: j 3MciQ`
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 nbASpa(
+-*/&|^等 Dum`o^l#
2. 返回引用。 bfJ`}xl(8
=,各种复合赋值等 8q [c
3. 返回固定类型。 egvy#2b@
各种逻辑/比较操作符(返回bool) &@HNz6KO
4. 原样返回。 ix9HSa{d
operator, <i'u96
5. 返回解引用的类型。 ),]2`w&k
operator*(单目) N+M&d3H`
6. 返回地址。 n<:d%&^n
operator&(单目) vaRwhE:
7. 下表访问返回类型。 dA}
72D?
operator[] MpA;cw]cI/
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 zg7l>9Sc
operator<<和operator>> R==cz^#
Ejms)JK+
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。 I\upnEKKzZ
例如针对第一条,我们实现一个policy类: vA;F]epr!
~$4.Mf,u
template < typename Left > aGe(vQPi9
struct value_return q[7d7i/r6
{ e:J'&r& 1
template < typename T > hO/5>Zv?
struct result_1 k&A7alw
{ nF<y7XkO
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; lW$&fuDHF
} ; Z|(c(H2
"Ug/
',jkV
template < typename T1, typename T2 > D*cyFAF
struct result_2 ,xYsH+ybA
{ S&3X~jD(1
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; (~Uel1~@
} ; rocB"0
} ; (.,'}+1
P-+M,>vNy[
ZS XRzH~0
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait WY"Y)S
X&(ERY,h
下面我们来剥离functor中的operator() @?Gw|bP
首先operator里面的代码全是下面的形式: l+2cj?X
30?LsYXL62
return l(t) op r(t) hDljY!P>p
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 9$+^"ilk
return op l(t) aZj J]~bO
return op l(t1, t2) }r}RRd
return l(t) op *`ZB+ \*
return l(t1, t2) op m-ph}
return l(t)[r(t)] 0\'Q&oTo
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] 3e%l8@R@
eA?uny
f2r
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: -R&E