一. 什么是Lambda qlzL<
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?@XO*|xkSk
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, 4bKZ@r%
VOiphw`
(kSkbwu
@3G3l|~>
class filler zL{KK9Or
{ >!wwXhH(
public : _Ih~'Y Fd
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} isN"7y|r:X
} ; z6Hl+nq B
b
:+
X3
Zs4N0N{
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: 4]g^aaQFd>
g,1\Gj%y
Gh< r_O~L3
0lEIj/u
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); C{,nDa?|
':fVb3A[*d
,JjTzO
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 +Gjy%JFp
N@) D,~
[`:\(( 8
]__M*
二. 战前分析 ^o{O5&i]
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 KUp
lN1Sy
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 R` N-^x
v<c8qg
68D.Li
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); S2Wxf>bt2
/* --------------------------------------------- */ a([cuh.
vector < int *> vp( 10 ); =A,i9Z&
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); [#.QDe
/* --------------------------------------------- */ ge E7<"m%
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); VfQSfNsi
/* --------------------------------------------- */ 9iv!+(ni
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); *f,EDSN1@d
/* --------------------------------------------- */ * %MY. #
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); jfI|( P
/* --------------------------------------------- */ 8J>s|MZ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); tewC *%3V
X09&S4
T%:}/@
No h*1u*
看了之后,我们可以思考一些问题: Wx^L~[l
1._1, _2是什么? e\)PGjSI
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。 HtXzMSGo7
2._1 = 1是在做什么? `M|fwlAJQ
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。 -()CgtSR
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。 X)'uTf0
5Zh
/D0!|
V a<L[8
三. 动工 [t>}M6?R:
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Of-l<Ks\
ZX'/[wAN)
_57i[U r
/5SBLp}Sy
template < typename T > uNLA/hL+n
class assignment [X;yJ $
{ {Z$Aw4a"d
T value; qL]!/}
public : rBT#Cyl
assignment( const T & v) : value(v) {} 3Ju<jXoo!
template < typename T2 > Z?dz@d%C
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } kJ{X5&,_
} ; MsfY|(/m
3g)pLW
iz&)FuOr
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 g&X$)V4C
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment M"1}"ex#
y&UcTE2;%(
+H8]5~',L%
'
FF@I^O
class holder 3+0$=ef
{ r 1n l!
public : R8sj>.I9j
template < typename T > &KmVtj
assignment < T > operator = ( const T & t) const COZ<^*=A#p
{ >2tYw,m
return assignment < T > (t); Etj@wy/E
} ,eW K~ pa
} ; V+(1U|@~
w9G (^jS6
7'LKyy
!"3
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: K)QMxn
C|*U)#3:F
static holder _1; ~+
Mp+gE
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写
&gR)Y3
&s-iie$"@x
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 );
LhKaqR{
而不用手动写一个函数对象。 oSq?.*w<
2<q>]G-nN
>k }ea5+
hSr2<?yk
四. 问题分析 TF R8
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。 IOhJL'r
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;4Y%Dq~Qo
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 0n<>X&X
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 :#7"SEud}
下面我们可以对这几个问题进行分析。 l|RBO+}
42]hX9E
五. 问题1:一致性 jlXzfDT
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?| tpPP5C{
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 h}0}g]IUx
VokIc&!Uz
struct holder B>C+qj@
{ ,Pi!%an w
// Fj;];1nt
template < typename T > IyK^` y
T & operator ()( const T & r) const >-oB%T
{ MD|T4PPz,}
return (T & )r; lDsT?yHS`Z
} B!+rO~
} ; OEiu,Y|@l
X(Z~oGyg
这样的话assignment也必须相应改动: f.)z_RyGd
-d>2&)5
template < typename Left, typename Right > yM}~]aQ y
class assignment F+@/ "1c
{ r+:]lO
Left l; 1aAY7Dm_&
Right r; NTWy1
public : +}VaQ8ti4
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} u}r> ?/V!
template < typename T2 > /aTW X
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 2NMg+Lt8v
} ; YuXCRw9p;
`uP:UQ9S
同时,holder的operator=也需要改动: pq"Z,9,F%
ZWmS6?L.
template < typename T > |E?PQ?P
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Zh
{ +$}3=n34)
return assignment < holder, T > ( * this , t); LUs)"ZAi|
} &2,3R}B/
q@Aw]Kh
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。
s5/u>d
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Y1Q240
)-\C{>
return l(rhs) = r; 8TBv~Qu
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 :
E`78
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: _`I}"`2H
J Bgq2
template < typename Tp > c>Tf@Aog>
class constant_t U)[LKO1
{ -aq3Lqi
const Tp t; 25PZ&^G8%
public : 1oc@]0n
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} b/{$#[oP`
template < typename T > pwH*&YU
const Tp & operator ()( const T & r) const iE EP~
{ `w&?SXFO8
return t; 7@&mGUALO
} 0GlQWRa
} ; /a*8z,x
?y-@c]
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Ay7PU
下面就可以修改holder的operator=了 c,^W/:CQAB
ppo.# p0w
template < typename T > l 88n*O
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const KPVu-{_Fi
{ o~<jayqU
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Q'ZZQ
} 1N_T/I8_F
/ Xq|SO
同时也要修改assignment的operator() 3:O|p[2)L
E-%$1=;
template < typename T2 > 2Wg:eh
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } x<`^4|<
现在代码看起来就很一致了。 7'OR;b$
:t9sAD
六. 问题2:链式操作 ScjeAC)
现在让我们来看看如何处理链式操作。 w/^_w5
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。 ^*YoNd_kpN
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。 >z~_s6#CP
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。 EKO~\d
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct _Ss}dU9
4X",:B}
template < typename T > )Z/$;7]#
struct result_1 3dz{"hV
{ _M&n~ r
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; e_-7,5Co
} ; Rp;"]Q&b
_k :BY
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ck%.D%=
wpp!H<')
template < typename T > ,cxe"U
struct ref 3-E-\5I
{ VFM!K$_
typedef T & reference; p0y|pD
} ; -[J4nN &N
template < typename T > /NjBC[P
struct ref < T &> iITMBS`}
{ *- ~GVe
typedef T & reference; }D+ b`,
} ; daP_Kz/2K
;
wxmSX9
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: oOc-1C
y
BeLqk3'/
template < typename T > $UdBZT-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ~ o2Z5,H
{ ?w!8;xS8
return l(t) = r(t); kN3 <l7
} pouXt-%2X
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Kxa1F,dZ
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ?-%(K^y4r
w N`Njm9!
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 Qd\='*:!
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: CS(XN>N
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 7QnWw0
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 eub}+~_?[
最后的布局是: { `Z~T&}~T
Add 6$:Q]zR#'H
/ \ `R
xCs`
Divide 5 (J.Z+s$:2
/ \
[B`4I
_1 3 u{va2n/
似乎一切都解决了?不。 'K02T:\iZ
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 !'rdHSy
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 '_V9FWDZ
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: i].E1},%
Y3~z#<
template < typename Right > ^n<YO=|u
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Tn/Z s|
Right & rt) const k!z<=WA
{ lwgwdB
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); R&6@*Nn
} P7zUf
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 KM)f~^
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 1fsNQ!vQP
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 EI*~VFx
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Q0Do B
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 `p9N| V
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? DBsoa0w
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: B|"/bQ
_aOs8#(X
template < class Action > i ]8bj5j{
class picker : public Action 7S
8X)
{ pZeOdh
public : 1\UU"
picker( const Action & act) : Action(act) {} _EP]|DTfr
// all the operator overloaded ?D2a"a$^
} ; l1lYb;C
eGg6wd
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。 :L+xEL
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:
#$ k1w@
f OR9 N/
template < typename Right > l,]%D
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const _0gdt4
{ m:`M&Xs&
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @v@F%JCZ
} mF~]P8
~+0IFJ `}
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > *S.FM.r
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。
PKntz7
M&hNkJK*G
template < typename T > struct picker_maker K-\wx5#l/
{ <`=Kt[_BQ
typedef picker < constant_t < T > > result; 1Dc6v57
} ;
ebJTrh <{
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > gsEcvkj*
{ @$^4Av-
typedef picker < T > result; )P
b$
} ; a?nK|Q=e
3{~(_
下面总的结构就有了: 6@/k|t>OT
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。 b(R.&X
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。 %JiF269
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 LXxQI(RO
至此链式操作完美实现。 W ).Kq-
hGrX,.zj
X)iI]
七. 问题3 i}C%8}%
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。 wGT>Xh!
-(WRhBpw
template < typename T1, typename T2 > ?.F^Oi6
u
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ,4'y(X<R
{ :7.k E
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); \6/Gy!0h-
} H<fi,"X^
fUY05OMZ
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: _6c/,a8;*J
i ?M-~EKu
template < typename T1, typename T2 > \MmOI<Hd-
struct result_2 1,OkuyXy!>
{ <XDnAv0t
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; `S-l.zSZ4B
} ; c u";rnj
<a=OiY
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? *My9r.F5o
这个差事就留给了holder自己。 )SZ#%OE*
BxV>s+o&]
)7+z/y+[n
template < int Order > >m;nt}f'+
class holder; AD`5:G
template <> =8*ru\L:hr
class holder < 1 > Xr8fmJtg'
{ GJQ>VI2cY
public : %vZHHBylu
template < typename T > O#[b NLV
struct result_1 6E1~dK0t
{ +UX~'t_'v
typedef T & result; Z+6WG
} ; v%2Dz
template < typename T1, typename T2 > }vY^eOK.
struct result_2 -u"|{5? '
{ #7'k'(
typedef T1 & result; 6[R6P:v&'G
} ; |X XO0
template < typename T >
*$DD+]2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const wM7Iu86
{ LdOme[C1
return (T & )r; b|Ge#o
} (91ts$jH
template < typename T1, typename T2 > FMF mn|
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const "mE/t (
{ d&|5Rk
~
return (T1 & )r1; owA8hGF
} p8-$MF]]6
} ; [!3cWJCt
3$P
template <> c1FSQ
m81
class holder < 2 > _s0)Dl6K
{ <Dgf'GrJ
public : AsuugcN*
template < typename T > -Q<OSa='
struct result_1
=a=:+q g
{ -W@nc
QL}
typedef T & result; V"K.s2U^
} ; >+;}"J
template < typename T1, typename T2 > qHyOaKMd
struct result_2 tQT<1Q02i
{ .9z}S=ZK
typedef T2 & result; $>_`.*I/
} ; dD39?K/
template < typename T > yk4py0xVl
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const u^^jt(j
{ *>[q*SF
return (T & )r; reYIF*
} Glx{Zu=
template < typename T1, typename T2 > >b0Bvx-
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const u-jc8W`Zd
{ VFnxj52<
return (T2 & )r2; $K\e
Pfk
} M
e:l)8+
} ; P<[)
qq@;
wK fq'W{
I(&N2L$-
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> >。 #fx"tx6
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: KdZ=g ZSH
首先 assignment::operator(int, int)被调用: tp!eF"v=
!~7lY]_U
return l(i, j) = r(i, j); vg X7B4
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Ji=`XsV
NaQ~iY?
return ( int & )i; Dh#5-Kf%
return ( int & )j; d0%Wz5Np
最后执行i = j; n) HV:8j~
可见,参数被正确的选择了。 qyy. &+
YFj#{C.
9X#]Lg?b
>OjK0jiPf
Y![i=/
八. 中期总结 e iH&<AH
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: b rDyjh
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 apM)$
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 vt(}8C+
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor `W1TqA
OQg}E@LZ
`8\"3S
\>j@!W
|VyN>&r~6
0oi.k;
九. 简化 wF6a*b@v
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。 n1R{[\ >1
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 M[iWWCX
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: md\Vw?PkU
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 O_
$ zK
+-*/&|^等 ,]9p&xu
2. 返回引用。 ]D2d=\
=,各种复合赋值等 lPA}06hU
3. 返回固定类型。 \l5G
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 7o*~zDh@fH
4. 原样返回。 (X2[}K
operator, ,^v_gc
5. 返回解引用的类型。 n7n-uc
operator*(单目) pVjOp~=U
6. 返回地址。 i{HzY[
operator&(单目) Tz\v.&? $
7. 下表访问返回类型。 \vL{f;2J
operator[] n5fc_N/8O=
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 zE}ry!{
operator<<和operator>> x;STt3M~
5GJa+St?
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。 k$7Kz"
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 6mIRa(6V
Oo>Uu{{
template < typename Left > uXG$YDKqC
struct value_return 7<?Aou
{ uF
D
template < typename T > 4C;"4''L
struct result_1 q((%sWp
{ zItGoJu
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; h?->A#
} ; j4#S/:Q<7
R!x
/,6,_
template < typename T1, typename T2 > JY D\VaW
struct result_2 X#MC|Fzy@
{ Z?eedVV@
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; k/Ao?R=@gI
} ; Fj&8wZ)v)
} ; \@
N[
7U&<{U<
1w 9zl}
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait P@Pe5H"o
*E/CNMn=E
下面我们来剥离functor中的operator() Z =*h9,MY
首先operator里面的代码全是下面的形式: 07,&weQ
-x>2Wb~%
return l(t) op r(t) rGQ([e
return l(t1, t2) op r(t1, t2) =MmAnjo
return op l(t) z&.F YGq}
return op l(t1, t2) _J_QB]t
return l(t) op xl(R|D))
return l(t1, t2) op ^8g<>,$
return l(t)[r(t)] (/_w23rr
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] ;xu&%n[6@
};>~P%u32
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: Z4T{CwD`D
单目: return f(l(t), r(t)); W3B:)<