一. 什么是Lambda ~LS</_N
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 5REFz
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, !i torSl
q@wD@_
G?}?>O
8NfXYR#
class filler ?z.?(xZ 6
{ !`e`4y*N
public : v^JzbO~|gj
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |#_p0yPy
} ; w x]?D%l
Onq^|r's&
Ikdj?"+O
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: Z+v,o1
`^[k8Z(
oJ4HvrUO
tY;<S}[@7w
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 0I.KHIBk
%j\&}>P4$
ui>jJ(
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 3Z";a
&b|RoPV
)c4tGT<
YD[HBF)~j
二. 战前分析 5[4wN(
)
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。 qHub+"2
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 -*k2:i`
&za
}THm
v/ N[)<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Ro]Z9C>1o
/* --------------------------------------------- */ Es+I]o0K
vector < int *> vp( 10 ); TO.b-
;
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 1\fx57a\
/* --------------------------------------------- */ p9)YRLOh.
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Q/SO%E`E
/* --------------------------------------------- */ 'd~(=6J
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); VZt%cq
/* --------------------------------------------- */ Wo
"s ;Z
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); S' $;
/* --------------------------------------------- */ CK[8y&
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 1gV?}'jq
P4#i]7%
3Rb#!tx9
4MPy}yT*
看了之后,我们可以思考一些问题: ^y@
W\
1._1, _2是什么? $U?]^
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 7n#-3#_mG
2._1 = 1是在做什么? b#?sx"z
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ``CM7|)>`
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 \ UrD%;sq
X:UlL"G
7K.75%}
三. 动工 i(|ug_^
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: a(vt"MQ_
IVPN=jg?
q'8*bu_
]jD\4\M}
template < typename T > /O:4u_
class assignment @ ;!IPiU
{ HX2u{2$
T value; * F%1~
public : ~
L4NK#
assignment( const T & v) : value(v) {} <q=Zg7zB
template < typename T2 > 6]iU-k0b
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } W+a/>U
} ; ?+.mP]d_
#A5X,-4G
UE^o}Eyg
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 OM1Z}%J
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment =x-7 Wy
JlnmG<WLT
a[nSUlT&
F:m6Mf7L
class holder =;-C;gn:w
{ p(pfJ^/:(
public : i975)_X(
template < typename T > Xr
K29a
assignment < T > operator = ( const T & t) const 4 *}H3-`
{ vCi`htm%
return assignment < T > (t); / ]8e[t>!f
} ?TpjU*Cxy
} ; 2FuV%\p
=W7-;&
h|]cZMGo
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: OpaRQ=
:j`f%Vg~x
static holder _1; h"ZIh= j@
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 `R2Iw
I&
?+EAp"{j
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); =J1V?x=l@
而不用手动写一个函数对象。 pK-tj
}ex4dhx2M
(W
h)Ov"
_6fy'%J=U
四. 问题分析 ?w(hPUd!2
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。 D\5+2 G
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。 \'Ca1[y@B
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 sAc1t`
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 R*pPUw\yn
下面我们可以对这几个问题进行分析。 kFE9}0-
i@+m<YS:2>
五. 问题1:一致性 )tBz=hy#
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?| _p8u
&TZ
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 0s-K oz
nnn\
struct holder Z$J-4KN
{ b\JU%89
// aUNA`
L
template < typename T > G4c@v1#%.
T & operator ()( const T & r) const bJn&Y
{ /%;J1{O
return (T & )r; BeFyx"NBg
} bhpaC8|
} ; iN8[^,2H|
9_wDh0b~p
这样的话assignment也必须相应改动: O^!ds
SLEOcOAmD
template < typename Left, typename Right > U3_ O}X+
class assignment L|WrdT D;
{ )&T 5/+
Left l; Jw5@#j
Right r; oo;<I_#07
public : \bT0\
(Js\
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }*bp4<|
template < typename T2 > <eEIR
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } B](R(x>L
} ; 33<{1Y[Q6E
0p.MH~mx
同时,holder的operator=也需要改动: zwC ,,U
OB9E30
template < typename T > &S
xF"pYV
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Zq&'a_
{ K3\a~_0
return assignment < holder, T > ( * this , t); ,ASNa^7/>
} 4v>SXch
`^/8dIya
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。 Ub
f5:
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 [5'HlHK
Ba?1q%eG
return l(rhs) = r; ! $mY.uu
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 +w[ZMk
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: wtSU43D
(<_kq;XtN0
template < typename Tp > ^f>c_[fR
class constant_t )U|V |yem'
{ A5F(-
const Tp t; .WKJ37od
public : 9nVb$pf e#
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} /[lEZ['^
template < typename T > %Qz<Lk">.
const Tp & operator ()( const T & r) const ;76+J)
{ 64mh. j
return t; 7*{l\^ism;
} o5J6Xi0+
} ; KWDH
35
tJu:N'=Dy
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 m7NWgXJ
下面就可以修改holder的operator=了 c`x4."m
d#+Nef5
template < typename T > H.|I|XRG/
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const BegO\0%+
{ MR,I`9P e
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); NV?x<LNWd
} e46`"}r
|pZ7k#%
同时也要修改assignment的operator() |BM#r fQ
rAtCG1Vr
template < typename T2 > j]&Qai~}Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } GU`q^q@Ea
现在代码看起来就很一致了。 ,j>FCj>
tvf.K+
六. 问题2:链式操作 wz3X;1l`c
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Jc?zX8>Ae:
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。 G~C-tAB
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。 5\zR>Tg".
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。 i 1w]j
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct nTsV>lQY,
p cUccQ
template < typename T > [7x;H
struct result_1 xS/=9l/G
{ E)Qg^DHP/
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result;
h8p{
} ; Xo(W\Pes
jQz^)8)B
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: RF6]_-
OAo03KW
template < typename T >
n}b/9
struct ref >op/<?<
{ Vm@VhCsp
typedef T & reference; X`v6gv5qj
} ; (/&ht-~EL
template < typename T > Q ijO%)
struct ref < T &> Qu<HeSA_
{ 8Rw:SU9H?T
typedef T & reference; zN9@.!?X2
} ; MwD+'5
&{WEtaXaa
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 7 v3%dCvf
K4Nz I9@
template < typename T > J+0
?e9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const M{u 7Ef
{
`m_fi
return l(t) = r(t); S=<
]u
} LfrjC@_y
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。 wU]8hkl?
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 p8F$vx4,
V^.Z&7+E`_
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 2&s(:=
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: j _E(h.
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 |C+
5
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Z^mIGy}
最后的布局是: %^I 7=
Add ,-$%>Uv
/ \ NJ}xqg
Divide 5 uY3$nlhP6
/ \ 1Ogtzf
_1 3 h9c7P@29
似乎一切都解决了?不。 tx3p,
X
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。 ;F, 6]LH!
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。 -jTK3&5
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: >i1wB!gc8
A}pe>ja
template < typename Right > q_;# EV
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 8BS$6Pa
Right & rt) const :/Y4I)'
{ =5pwNi_S
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )d
{8Cu6
} Y'6P ~C;v
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 1U~'8=-
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 hoPh#? G
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 .b*-GWx
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 JKXIxw>q
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 L(`q3>iC4.
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 6NFLk+kqN
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: 2I4G=jM[
=o"sBVj
template < class Action > %HZ!s
`w_
class picker : public Action X~; *zYd5
{ ;P|v'NNI
public : 5=MM^$QG
picker( const Action & act) : Action(act) {} Tc;BE
// all the operator overloaded 6Vu??qBy
} ; @yPI$"Ma
q=BAYZ\`
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。 K,HR=5
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: =PBJ+"DQs
^dhtc%
W>
template < typename Right > \w{fq+G
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const $/JnYkL{m
{ oB}rd9
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); \HJ t }
} G! ryW4
ybm&g( -\
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > n lvDMZ
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 TU8K\;l]
`p^xdj}
template < typename T > struct picker_maker a)L=+Z
{ yF&?gPh&
typedef picker < constant_t < T > > result; K)8 m?sf/
} ; v[y|E;B
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > E"H> [E
{ ;{>-K8=>$
typedef picker < T > result; b WZX
} ; vC5 (
z1~U#
下面总的结构就有了: Q#$dp
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 T^ah'WmNw
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ZZ;V5o6E
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 o|a]Q
至此链式操作完美实现。 n)teX.ck)
A832z`
K*
0]*am|v
七. 问题3 m4T`Tg#P
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 nr9cG/"
k{$Mlt?&-
template < typename T1, typename T2 > w~9=6|_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const h<2O+"^
{ <~qhy{hRn
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 9_S>G$9D
} |a Ht6F
Wr;?t!
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: p>]2o\["
&5wM`
template < typename T1, typename T2 > R_DZJV O
struct result_2 oG;;='*
{ %8GY`T:^
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; s%qK<U4@;Q
} ; _52BIrAO2
thSo,uGlW
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? )wYbcH
这个差事就留给了holder自己。 80ms7 B
d~J4&w
wms8z
template < int Order > U5wO;MA
class holder; cS1BB#N0
template <> |2~fOyA+
class holder < 1 > [I` 6F6
{ PizPsJ|&
public : nM)H2'%kL&
template < typename T > [P_1a`b
struct result_1 @oL<Ioh
{ 6|:]2S
typedef T & result; !23#Bz7
} ; Y|iALrx
template < typename T1, typename T2 > PUViTb
struct result_2 ^Ru/7pw5
{ FLekyJmw~
typedef T1 & result; ztS'Dp}q<
} ; O8:,XTAN
template < typename T > 6,|)%~VUm
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const A5ps|zidI
{ &Qdd\h#
return (T & )r; AiO29<
} 0TI+6u
template < typename T1, typename T2 > "i1~YE
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 8^N"D7{mO
{ J5Tl62}
return (T1 & )r1; =r:-CRq(
} cy6P=k*
} ; ou@ P#:<B
z_J"Qk
template <> d98ZC+q
class holder < 2 > uNYHEs6%T$
{ )xQA+$H#4
public : [
Q6v #I
template < typename T > (HkMubnqg
struct result_1 A%s"WSx,
{ vx_v/pD
typedef T & result; >p 7e6%
} ; ~l@SGHx
template < typename T1, typename T2 > AjZ@hid
struct result_2 i=<N4Vx
{ F+S;u=CKx
typedef T2 & result; i- E~ZfJ
} ; %!HmtpS
template < typename T > r,x;q
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const *qE[Y0Cd
{ T(^<sjOs
return (T & )r; &4yI]
} |vnfY;
;z1
template < typename T1, typename T2 > <c6C+OWT,
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const k]"Rg2>%
{ ,g$N
return (T2 & )r2; V4!RUqK
} fD<3Tl8U0
} ; }IGr%C(3%
kN>AY'1
x=bAR%i~
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> >。 dO e|uQXyD
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: tsZrn
首先 assignment::operator(int, int)被调用: $IQ !g
16YJQ ue
return l(i, j) = r(i, j); Ov)rsi
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) A|YqBl
vF;%#P
return ( int & )i; ;ePmN|rq;
return ( int & )j; *"Ipu"G5?
最后执行i = j; dQt*/]{q
可见,参数被正确的选择了。 LRv-q{jP;
XH0R:+s
?/~7\ '|Z
>b0e"eGt
hsljJvs
八. 中期总结 A[ ZJS
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: _#e='~;
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 h8O[xca/~
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @B~/0
9
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor LC\Ys\/,U
?jBna
~
~-6Kl3Y
A[!Fg0X0
7+j@0v\
t@!X1?`w
九. 简化 ,l`q
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Sz"J-3b^
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 JB'q_dS}
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: r%$-F2.p
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 >)U 7$<&b
+-*/&|^等 v/Z}|dT"
2. 返回引用。 xZL`<3?
=,各种复合赋值等 2[Q*?N
3. 返回固定类型。 wI}5[m
各种逻辑/比较操作符(返回bool) E'&UWDh
4. 原样返回。 7##nY3",^
operator, ^`\c;!)F<
5. 返回解引用的类型。 IX^k<Jqr
operator*(单目) z(3mhMJY
6. 返回地址。 yGH'|`
operator&(单目) ZqkP# ]+Y'
7. 下表访问返回类型。 JQE^ bcr
operator[] .7Ys@;>B
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 = M7FD
operator<<和operator>> klKAwC Q,
< 7zyRm@S
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。 \y:
0+s/
例如针对第一条,我们实现一个policy类: X
c,UR.
Y+V*$73`
template < typename Left > netKt_
struct value_return Nj.(iBmr
{ KcfW+>W3
template < typename T > AzN.vA)q
struct result_1 B8|=P&L7N
{ WMZa6cH
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; YurK@Tq7
} ; #'^p-Jdm
l?a(=
template < typename T1, typename T2 > +yS"pOT
struct result_2 +fAAkO*GP
{
7l7eUy/z
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; JQsS=m7Et
} ; u$&