一. 什么是Lambda OaCp3No
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 NI)q<@ju
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, ^/_1y[j
!dZpV~g0
a/s6|ri`0
; +%| !~
class filler O$$$1VHYo
{ NUb:5tL
public : +8eW/Bs@2
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} l.AG^b
} ; i48Tb7Rx~n
K.I\E
hJasnY7
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: ` 8OA:4).
t}A n:
F%F :Gr/
A_xUP9g@?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Yt#e[CYnu
81&5g'
!Q" 3B6
86
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 [2Rw)!N
XJ9l,:c,
WlfS|/\%V^
&Dw8GU}1
二. 战前分析 n3LCQ:]Tf
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。
(U#9
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 mIUpAOC`"Z
mbCY\vEl
2%oo.?!R
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); m(c5g[6nO
/* --------------------------------------------- */ e Zb8x
vector < int *> vp( 10 ); RBM(>lU:
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); G>H',iOI
/* --------------------------------------------- */ ^"hsbk&Yu
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); "J(7fL$!
/* --------------------------------------------- */ T.R(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); j@b18wZ
/* --------------------------------------------- */ 2Y'=~*tV
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); d/3
k3HdL
/* --------------------------------------------- */ 8 ?+t+m[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); M+q|z0 U
~.'NG?
%7P
4zw5?$YWO"
#w<:H1,4
看了之后,我们可以思考一些问题: Vg^@6zU
1._1, _2是什么? =|G l
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。 @vcvte
2._1 = 1是在做什么? Tl ?]K
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。 U3zwC5}BN
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。 \%ZF<sVW
p"XQJUuD
.Lc<1s
三. 动工 i'}Z>g5D
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: (HZzA7eph
!`-/E']/
F6xQ`T|
hc4W|Ofj
template < typename T > ND|!U#wMNV
class assignment DTw3$:
{ 3%$nRP
X
T value; 1]lm0bfs
public : |( =`l
assignment( const T & v) : value(v) {} .5PcprE/
template < typename T2 > ixFuqPij
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } &%/kPF~<
} ; *0aU(E#
6 NJ5v+
WV'FW)%
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 G()- NJ{
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment aH1mW;,1u
fGD#|a;,
k 8Swra?j
k!lz_Y
class holder l'2a?1/q
{ I}a iy.l
public : @I '_
template < typename T > %kg%ttu7
assignment < T > operator = ( const T & t) const 6k=ink-/
{ T"2D<7frbo
return assignment < T > (t); h6dVT9
} 2@ <x%T
} ; 8R6!SB
M8, W|eTM
-H%806NAX7
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: uK`T1*_
p6yC1\U!o
static holder _1; |W/_S^ C
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Rj|8lK;,
;J[1S
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4oF8F)ASj
而不用手动写一个函数对象。 ,ij"&XA
45hjN6
cIO7RD$8
[7~ !M*o9
四. 问题分析 n~#%>C7
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 hK+Iow-
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 P>dMET
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 hoc$aqP6pp
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 <Cvlz^K[
下面我们可以对这几个问题进行分析。 H-9%/e
I]]3=?Y
五. 问题1:一致性 ;-d }\f ,
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?| ]Xur/C2A
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 DFz,>DM;
oXc!JZ^
struct holder Fvy__qcHi
{ n0T\dc~
// u(7PtmV[!
template < typename T > 5_@8g+~
T & operator ()( const T & r) const m q`EMOH
{ iR9
$E
return (T & )r; _91g=pM
} 8xQ5[Ov
} ; zUM;Qwl
*N .f_s
这样的话assignment也必须相应改动: (>x4X@b
!79^M
template < typename Left, typename Right > wjF/c
class assignment h7NS9CgO
{ jB*%nB*x
Left l; ZkW,
Right r; ?*~W
public : bUf2uWy7
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [<Wo7G1s
template < typename T2 > lCDu,r;\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 2Y)3Ue
} ; jmbwV,@Q2
(KDUX
t.
同时,holder的operator=也需要改动: }@Ij}Ab>
`/:ZB6
template < typename T > #7IM#tc@
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const G}d-L!YbE'
{ r=<Oy1m/
return assignment < holder, T > ( * this , t); fQ5VRpWGn
} 1nb]~{l
l@a>"\><i*
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。 :=BFx"Y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Wc4F'}s
Sni Ck*T,
return l(rhs) = r; -aDGXQM{~
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。 u%<Je
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ty|E[Ez1
Ll%CeP
template < typename Tp > 5Xu2MY=
class constant_t EX%KfWDr
{ _ cK"y2
const Tp t; wRn]
public : [];*9vxW
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ab!,)^
template < typename T > ?GPTJ#=j=]
const Tp & operator ()( const T & r) const 31\l0Jg
{ :b[
[}'
return t; 8<Cu S
} RU3:[(7
} ; WG8}}`F|
LfEeFF=#n
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 W3s>+yU
下面就可以修改holder的operator=了 V?Y;.n&y
"d60IM#N?
template < typename T > hA.?19<Z
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Vu '3%~
{ -y70-K3
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); \kU0D
} aA?Uf~ "t
&FF%VUfQJ
同时也要修改assignment的operator() 96UL](l(`
")MjR1p
template < typename T2 > >4>!zZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ld8 E!t[
现在代码看起来就很一致了。 {<{
O!
!63p?Q=
六. 问题2:链式操作 7U>Xi'?
现在让我们来看看如何处理链式操作。 tLXwszR0r
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。 #T1py@b0zA
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。 YIv!\`^ \
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。 3-z;pk
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct duCxYhh|
<R)%K);
template < typename T > p
R=FH#
struct result_1 z^z_!@7v
{ DD`Bl1)
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; &~of]A
} ; O4w6\y3U
?ACflU_k
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: +eSNwR=
%UDz4?zx
template < typename T > kH'LG! O
struct ref I8;xuutc
{ QOA7#H-m9
typedef T & reference; 36mp+}R#
} ; We&~]-b AW
template < typename T > ME"B1Se\
struct ref < T &> U.]5UP:a
{ JDcc`&`M
typedef T & reference; e 4-
} ; $VOSd<87
HriY-=ji>a
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :.wR *E
.J0s_[
template < typename T > $+CKy>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const hTZ&
{ Lc.=CBQ
return l(t) = r(t); 0
@]gW
} UnSi= uj
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 q`1"]gy.
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 \1Tu
P}P
KY5 it9e
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 `@%hz%8Y
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: "Sm'TZx
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 xNlxi
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 {nvF>
最后的布局是: ctI=|K
Add \*x'7c/qg
/ \ =-wF Brw
Divide 5 qWz%sT?C3L
/ \ 3@#WY vD
_1 3 Er /:iO)_
似乎一切都解决了?不。 :;Z?2P5i
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 J @eu]?h
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 F/gA[Y|,gI
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: Kvx~2ZMx6
.nDB{@#
template < typename Right > KrVP#|9%"
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const og0su
Right & rt) const \ZNUt$\
{ yW3!V-iA
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); RuyqB>[o
} /e|vz^#+1,
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 vXA+o)*#/
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。 Qy0Zj$,Z
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 u={A4A#
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 \!`k:lusa
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 @8\7H'K"\
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? X#v6v)c
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: }eKY%WU>O
TS2zzYE6Z
template < class Action > ;iA6[uz
class picker : public Action `Hlv*" w$
{ ZC7ZlL_
public : 0iS"V^aH
picker( const Action & act) : Action(act) {} vs=8x\W
// all the operator overloaded *vFXe_.
} ; s=KK)6T
O4`am:@
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。 3m;*gOLk6
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: ?7;_3+T#
.VD:FFkW
template < typename Right > "~V|p3
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const w?eJVi@w{
{ eMT}"u8$A
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); JSp V2c5Q
} 4Nylc.2mi
6KH&-ffd
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > lftT55Tki
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。 z5njblUz
KOv?p@d
template < typename T > struct picker_maker _P].Z8
{ IA6,P>}N
typedef picker < constant_t < T > > result; qoZUX3{
} ; 6h5DvSO
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 5vP=Wf cW
{ %imI.6
typedef picker < T > result; F7!q18ew
} ; fx74h{3u
c]Z@L~WW
下面总的结构就有了: 4Su|aWL-
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。 2)-V\:;js
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。 V1l9T_;f
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 K>a@AXC
至此链式操作完美实现。 bM@8[&ta
Ca]V%g(
wC&+nS1
七. 问题3 v%
c-El%
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。 vV$6fvS
$!LL
template < typename T1, typename T2 > +uqP:z
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const F/
si =%
{ 5w9oMM{
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); PI-o)U$Ehv
} 6}/m~m
:qAF}|6
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: BN]{o(EB
-a+oQP]O
template < typename T1, typename T2 > R?Ys%~5
struct result_2 jhx @6[
{ 6s<w}O
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 5Sh.4A\
} ; %^qf0d*
m[w 8|[
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? GZx?vSoHh
这个差事就留给了holder自己。 h\<;N*Xi
LX%UkfA9
6'a1]K
template < int Order > yt5'2!jc
class holder; `VL<pqPP
template <> >Y)FoHa+/
class holder < 1 > 9{-
Sa
{ 6\5"36&/rQ
public : mo*ClU7
template < typename T > +)<H,?/
struct result_1 .}*_NU
{ +Rq7m]
typedef T & result; "k>;K,:
} ; X/AA8QV o
template < typename T1, typename T2 > vVfIe5+OP
struct result_2 ,b${3*PPQ
{ n&fV^ x
typedef T1 & result; <&m
`)FJ
} ; HUWCCVn&
template < typename T > +cf. In,{
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const N*{>8iFo4
{ R64/m9
return (T & )r; 7nl
} ;=i$0w9 W
template < typename T1, typename T2 > au?5^u\
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const U/j+\Kc~
{ dk@j!-q^
return (T1 & )r1; .!2Ac
} \0bZ1"
} ; mA" 82"
JANP_b:t
template <> hcrx(oJ5
class holder < 2 > w=}R'O;k
{ PvkHlb^x%
public : 4+2hj*I
template < typename T > G
]JWd
struct result_1 IA(+}V
{ A1kqWhg\
typedef T & result; nep-?7x
} ; R) 'AI[la
template < typename T1, typename T2 > ;FH_qF`.
struct result_2 i9B1/?^W&
{ ;sZHE&+
typedef T2 & result; mEVne.D
} ; Q"D%xY
template < typename T > M].D27
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ?]Z EK8c
{ ?cmv;KV
return (T & )r; F qH@iZ
} zrazFI0G
template < typename T1, typename T2 > Z:kX9vw.
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const se^(1R k
{ *p>1s!i
return (T2 & )r2; vkg."G:=
} L\/YS;Y
} ; =k|hH~
$ 8WJ$73
(U@uJ
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> >。 rxM)SC;P
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: bR&<vrMmrA
首先 assignment::operator(int, int)被调用: FK!UUy;
)WR*8659e
return l(i, j) = r(i, j); {WYmO1
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) c:f++||
=F>nqklc
return ( int & )i; GTBT0$9g.
return ( int & )j; _>)=c<HL
最后执行i = j; eF%IX
可见,参数被正确的选择了。 j[q$;uSD
@ZFU< e$!
NX5NE2@^qH
uom~,k$|
/ar/4\b
八. 中期总结 _!'sj=n]q
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: _0c$SK
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ,Z1W3;O
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 0Q= o"@
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor GK.U_` 4?
8~s-@3J
AcCM
W@e
`h+1u`FJ
g"&e*fF
jpW(w($XL
九. 简化 t
9Dr%#
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。 |Je+y;P7
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 M_monj}Z
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: eOI#T'5
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 cojbuo
+-*/&|^等 8OW504AD
2. 返回引用。 h1uD >heGl
=,各种复合赋值等 c$w} h[
3. 返回固定类型。 q7'[II;
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 0Fi&7%
4. 原样返回。 D_MNF=7
operator, Vy:MK9U2
5. 返回解引用的类型。 c(y~,hN&p
operator*(单目) <78LB/:
6. 返回地址。 fX 41o#
operator&(单目) xFcRp2W9R
7. 下表访问返回类型。 eS{ xma
operator[] GOeYw[Vh
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 U~Ai'1?xz
operator<<和operator>> $={WtR
[va7+=[1=
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。 9v2(cpZ
例如针对第一条,我们实现一个policy类: [Y^1}E*
te b~KM
template < typename Left > Q,
!b
struct value_return ;PrL)!
{ yt-F2Z&
template < typename T > $CYB&|d
struct result_1 -S(_ZbeN
{ }nW) +
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ?8LRd5LH
} ; J&