一. 什么是Lambda 8LbwEKl
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 r/2=
nE
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, ^Jp,&
CmZayV
U}LW8886
7~ PL8
class filler `&M,B=E
{ Zge(UhZ
public : H/c
(m|KK
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} J#zr50@@
} ; `
y\)X
C7
|'q%9#
83n%pS4x
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: m[^lu1\wn
5~|{:29X
(k?HT'3)
HeOdCr-PN
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); /8FmPCp}r
wT4@X[5$
l4>^79* *
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 )S
caT1I
uh)S;3|
>Icr4?zq
xG9Sk
二. 战前分析 6qWUo3
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。 zxbfh/=
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 [={mCGU
FTf#"'O
v $Iw?y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ''y.4dvX
/* --------------------------------------------- */ WMSJU/-P
vector < int *> vp( 10 ); JZ:@iI5>+
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Ao\xse{E
/* --------------------------------------------- */ "8xAe0-4
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); kAki9a(=!
/* --------------------------------------------- */ D|N4X`T`
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 );
.Q{RTp
/* --------------------------------------------- */ SIe!=F[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 23s;O))
/* --------------------------------------------- */ *m~-8_ >;
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ,`@pi@<"#
7?$?Yu
j/FLEsU!R
={qcDgn~C
看了之后,我们可以思考一些问题: eU[g@Pq:Y
1._1, _2是什么? o*S_"
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。 \^x{NV@v42
2._1 = 1是在做什么? $ik*!om5
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 K3T.l#d'L
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 6l#x1o;
,NSf
.Pb-{!$Ni
三. 动工 :DD<0
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 1(
pHC
Wg']a/m
J ^'El^F
Zxa.x?:?n
template < typename T > t`Kbm''d[
class assignment 6b2UPI7m~
{ szI7I$Qb
T value; M/zO|-j&
public : ,_2-Op
assignment( const T & v) : value(v) {} T5S4,.o9W
template < typename T2 > Yj%]|E-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } a.Ho>(V/4
} ; ^*K=wE}AG
r|Ui1f5
(}: s[cs
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 {& o^p!
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment t" .Ytz>
BVQy@:K/
p/.8})c1r
c{z$^)A/
class holder B,%Vy!o
{ wA)
Hot
public : Lc3&\q
e
template < typename T > 8-q^.<9
assignment < T > operator = ( const T & t) const Harg<l
{ }E'0vf/
return assignment < T > (t); {/'T:n#
} y0zMK4b
} ; +P/kfY"
W(, j2pU
3/G^V'Yu
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: 34@ [ZKJ5
8v4}h9*F"7
static holder _1; Sc)^k
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 _?{7%(C
JJ?{V:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 );
Ei;tfB
而不用手动写一个函数对象。 C|'DKT4M&
([>ecS@eO
z _!ut
NGx3f3 9
四. 问题分析 6TtB3;5
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。 La4S/.
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。 5/meH[R\M
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 HA6tGZP*L
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 i"8mrWb
下面我们可以对这几个问题进行分析。 [>=!$>>;8
rP@#_(22
五. 问题1:一致性 p>6`jr
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| bO '\QtW9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 V%Uj\cv
Knq9"k
struct holder Dl,QCZeM
{ |V9[aa*c
// t@q'm.:uw<
template < typename T > #6`5-5Ks;
T & operator ()( const T & r) const 7_0p& 3
{ |)-kUu
return (T & )r; j8Z, :op
} F:{*4b
} ; HU3:6R&
+7Ws`qhEe
这样的话assignment也必须相应改动: pLMt2G
Sg#XcTG
template < typename Left, typename Right > G7Nw}cVJ)
class assignment / 3A6xPOg
{ *Gsj pNr-
Left l; +y7z>Fwl
Right r; %@$UIO,(
public : lC i{v.
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 'B@`gA
template < typename T2 > RNg?o[S
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 96=<phcwN[
} ; gI+8J.AG=
FG? Mc'r&
同时,holder的operator=也需要改动: la!]Y-s)'4
8@3K, [Mo
template < typename T > sI ,!+
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const $Y/9SD
{ 0;Z|:\P\=
return assignment < holder, T > ( * this , t); <izQ]\kL
} /{M<FVXK+|
YQVo7"`%
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 \kADh?phV
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 sNf& "C!;
<p@Cx
return l(rhs) = r; KA3U W
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ;>6< u.N
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: wxN)dB
(In{GA7;
template < typename Tp > 2HbnE&
class constant_t eUPa5{P
{ 9&mSF0q
const Tp t; bO~y=Pa\
public : N0`9/lr|
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} X.]I4O&_
template < typename T > G0FzXtu)q
const Tp & operator ()( const T & r) const =BJLj0=N
{ {U4!sJSl1
return t; /dnwN7Gf
} &kb`)F3nU
} ; FD=%
4#|
W!Tx%
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 m/HT3<F
下面就可以修改holder的operator=了 N?GTfN
<-lM9}vd
template < typename T > STKL
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const I-#H+\S
{ F(")ga$r
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); hlVye&;b8
} s t'T._
U(&c@u%
同时也要修改assignment的operator() %nA})nA7=
q0sf\|'<}
template < typename T2 > dFg>uo
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } `oRyw6Sko
现在代码看起来就很一致了。 3?OQ-7,
sXLW';Fz
六. 问题2:链式操作 >.:+|Br`
现在让我们来看看如何处理链式操作。 n@p]v*
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。 =SDex.ZK]
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。 lu utyK!
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。 qF)J#$4;6
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct u?').c4
awLvLkQb{
template < typename T > a ~o<>H
struct result_1 XF`2*:7
{ P^Hgm
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; +Y;P*U}Qg[
} ; Mz+I
YP`L
ULx:2jz
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 1{uxpYAP=
kG^76dAQL
template < typename T > \!KE_7HRu
struct ref ?Y=aO(}=h
{ 1]xk:u4LA
typedef T & reference; CEfqFn3^
} ; X9>fE{)!
template < typename T > 4&)sROjV=
struct ref < T &> #qRoTtMq7
{ U~G7~L &m
typedef T & reference; "8za'@D"f
} ; D%>Bj>xQD
6)[moR{N1
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: "1o{mvCkR
7lC$UQ x8
template < typename T > !z?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const MGdzrcF
{ "M%R{pGA7
return l(t) = r(t); 8 t+eu O
} ;`AB-
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。 U32$9"
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 7H
H
~E}kwF
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 zCs34=3D[
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: HcRw9,I'
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 dCx63rF`G
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 uYW4$6S3
最后的布局是: >`QBN1 Y
Add l5z//E}W
/ \ _{|a<Keq|
Divide 5 $v>q'8d
/ \ A;cA|`b
_1 3 _|~Dj)z
似乎一切都解决了?不。 =<\22d5L
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 1UQ,V`y
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 xU'z>y4V$
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: N2:Hdu:
XJul~"
template < typename Right > T!/o^0w
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const "LlpZtw
Right & rt) const >Eh U{@Y
{ s.M39W?
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); p.:651b
} wm@m(ArE=
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 (Jp~=6&lKf
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。 Y7GsL7I
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。 py6<QoGV
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。 a)|y0w)vV
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。 E}wT5t;u
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? C-pR$WM:HN
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: \g0vzo"u
M)13'B.
template < class Action > #H$lBCWI
class picker : public Action e;i 6C%DB
{ XtCIUC{r,
public : .AN1Yt
picker( const Action & act) : Action(act) {} Y9BQLu4F
// all the operator overloaded 8W3zrnc
} ; 5OM#_.p
le*+(aw
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。 .0dGS
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: AA\)BNM
<B@NSj
template < typename Right > F .S^KK
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const F:/x7]7??Z
{ ?NBae\6r
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); !7t&d
} mG)5xD
t?hfP2&6
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > x'EEmjJ
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。 Jm!,=}oP'
?HG[N7=j
template < typename T > struct picker_maker Wvl~|Sx]
{ Q{~g<G
typedef picker < constant_t < T > > result; y&(#C:N
} ; y;o - @]
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 2ZxhV4\
{ 1zRYd`IPoq
typedef picker < T > result; l]G
iz&
} ; 628iN%[-
NV5qF/<M
下面总的结构就有了: X~IilGL8:
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。 zk<V0NJIL*
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。 -!!]1\S*Y
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 [4?r0vO
至此链式操作完美实现。 ~d7t\S
2l?^\9&
iM!Ya!
七. 问题3 HMVP71
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。 yjT>bu]
DN:|
s+Lz
template < typename T1, typename T2 > {Q>OZm\+
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const A=kOSq 4Q
{ Cab-:2L]
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 1$RJzHS
} J0V m&TY
ILr=<j
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: 1;[KBYUH
+cfcr*
template < typename T1, typename T2 > 8SpG/gl"
struct result_2 { <Gyjq
{ ;PaU"z+Je~
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; NU=2*gM
} ; s[GHDQ;!
?Uq"zq
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? .B~}hjOZK
这个差事就留给了holder自己。 kq X=3Zo
KBM*7raA
Muwlehuq
template < int Order > +TbAtkEF*
class holder; )W= O~g
template <> N.mRay,
class holder < 1 > uZ8-?
{ (F^R9G|
public : %GTFub0F
template < typename T > U
2-{p
struct result_1 ?98!2:'{9
{ *rTg>)
typedef T & result; Ck#e54gJX
} ;
c\n_[r
template < typename T1, typename T2 > cFc(HADM`r
struct result_2 WOZuFS13
{ #OPEYJ;*9d
typedef T1 & result; WzstO}?P(
} ; :%&
E58
template < typename T > tC|?Kl7
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 9h|6"6
{ -$"$r ~ad
return (T & )r; w:lj4Z_
} JXL?.{'A
template < typename T1, typename T2 > 0U~$u
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 8\68NG6o
{ M~\dvJ$cH
return (T1 & )r1; M?YNK]
} $M)SsD~
} ; 6YU,>KP
,r*Kxy
template <> FBwG3x
class holder < 2 > Ea
S[W?u}
{ `bBkPH}M
public : 61Cc? a*_
template < typename T > b9rQQS
struct result_1 &(,\~
{ [3bPoAr\
typedef T & result; Dx1(}D
} ; )1!<<;@0
template < typename T1, typename T2 > %W9R08`
struct result_2 nEu:& 4
{ gdeM,A|
typedef T2 & result; <[\I`kzq
} ; Xgd-^
template < typename T > Vm<_e
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const i[9yu-
{ :se$<d%
return (T & )r; (
jU $
} N$kxf
template < typename T1, typename T2 > f~wON>$K
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const lND2Kb
{ z |llf7:
return (T2 & )r2; h_?`ESI~
} ~D3S01ecM
} ; "7y,d%H
m|W17LhW{
y@l&B+2ks
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> >。 te(H6c#0
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: \4wMv[;7
首先 assignment::operator(int, int)被调用: %Zk6K!MY#
LH2B*8=^2
return l(i, j) = r(i, j); D%]S>g5k
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) zQulPU
B zS4:e<
return ( int & )i; xx!8cvD4?
return ( int & )j; =(
|%%,3
最后执行i = j; |Jn|GnM
可见,参数被正确的选择了。 |\Jnr3)
KV$&qM.
h,R Isq;`
s0dP3tz>
E#+2)Q
八. 中期总结 nRc\!4
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: L0"|4=
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 pFS@yHs
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 `B@eeXa;u
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ]0* aE
Ztmh z_u7
)iw-l~y;
l%2VA
AuQ|CXG-\
R 9`[C
九. 简化 1"Oe*@`pV
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。 {.$7g8]I
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 cEu_p2(7!B
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: X1(ds*'Kv
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 @/kI;8
+-*/&|^等 HNS^:XR
2. 返回引用。 e2c'Wab
=,各种复合赋值等 e#Ao]gc
3. 返回固定类型。 1rZ E2
各种逻辑/比较操作符(返回bool) c
qCNk
4. 原样返回。 +pqbl*W;1
operator, :bct+J}l~
5. 返回解引用的类型。 y[$UeE"0
operator*(单目) &D M3/^70
6. 返回地址。 6Sd:5eTEQ
operator&(单目) =F_uK7W
7. 下表访问返回类型。 TNqL ')f
operator[] #6\mTL4vg
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 XA#qBxp/h
operator<<和operator>> 0bh
6ay4
>P
j#?j*Y
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。 _m?i$5
例如针对第一条,我们实现一个policy类: []@@
y`zdI_!7
template < typename Left > ?MFC(Wsh
struct value_return C'[4jz0xF
{ vxPE=!|
template < typename T > ?VotIruR
struct result_1 /E<Q_/'Z
{ y/S3ZJY
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ;g?PK5rB(
} ; Se!w(Y&
J'WzEgCnU
template < typename T1, typename T2 > }}k%.Qb
struct result_2 x~}&t+FK
{ x} =,'Ko}3
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; cZN<}n+q
} ; h!dij^bD
} ; 17'd~-lE
t8RtJ2;
&I-:=ir
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait q0%QMut%
Pxf>=kY
下面我们来剥离functor中的operator() >6Pe~J5,:
首先operator里面的代码全是下面的形式: VE]TT><
#L!`n)J"
return l(t) op r(t) Ec<33i]h*p
return l(t1, t2) op r(t1, t2) jX4$PfOhR
return op l(t) ^!^M Gzu
return op l(t1, t2) -sv%A7i
return l(t) op r
jn:E
return l(t1, t2) op n#"G)+h3#
return l(t)[r(t)] oX^N>w0F
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] &