一. 什么是Lambda (-no`j
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 [!~=m
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, rD\)ndPv
fT2F$U
\,AE5hnO
3 T1,:r
class filler V0l"tr@
{ -;:.+1
public : ,qT^e8E+
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 5K:'VX
} ; .E:3I!dH7
gW5yLb_Vz$
#n7F7X
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: VLfc6:Yg
2zV{I*
=*5< w
/E39Z*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); y}F;~H~P
? K ,d
;!+-fn4C
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 %lnVzGP
Ki\\yK
j|KjQ'9
03/mB2|TF(
二. 战前分析 \ xJ_)r
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。 ;*G';VuT
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 2dyS_2u
'8yC wk
_UA|0a!-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4
Aj<k
/* --------------------------------------------- */ i91 =h
vector < int *> vp( 10 ); ~m'8<B5+
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); h+ms%tNT
/* --------------------------------------------- */ &z]x\4#,
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); H%b c.c
/* --------------------------------------------- */ L>Y3t1=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~n~j2OE
/* --------------------------------------------- */ n *EGOS
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); !(F?Np Am
/* --------------------------------------------- */ [v+5|twxpU
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); iG ,z3/~v
^@C/2RX!
aXyFpGdb9
O'Q,;s`uC
看了之后,我们可以思考一些问题: WM;5/;bB
1._1, _2是什么? HU/2P` DGP
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。 '~9w<dSB!r
2._1 = 1是在做什么? `Frr?.3&-
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。 +lX Iv
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。 TVM19)9
.0rTk$B
0j!xv(1
三. 动工 A"O\u=!
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: K))P
2ss
mKqXB\<
^;9<7h[l
%L|xmx!c
template < typename T > 6)PnzeYW
class assignment vqAEF^HYry
{ ;X
N Ahg7
T value; PfsUe,*
public : @6
a'p
assignment( const T & v) : value(v) {} :}R,a=N
template < typename T2 > y=aWSb2y'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } e*yl _iW
} ; FHSFH>
t2iQ[`/?~
s f.z(o
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 lNsdbyV'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Qr_0
L
e"%uOuIYX
oj[~H}>
kLF~^/
class holder lbX
YWZ~7
{ Lq62
public : qg/FI#r
template < typename T > Dkx}}E:<
assignment < T > operator = ( const T & t) const BCuoFw)
{ lGt:.p{NG
return assignment < T > (t); %^d<go^
} =CW> ;h]
} ; MGf *+!y,
+w7U7"
xQ
|2=@8_am
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: |@~_&g
)Ii`/I^
static holder _1; fk9q 3
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 -G~/ GO
RU=\eD
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nLOK1@,4
而不用手动写一个函数对象。 _#1EbvO*l
5NC77}^.
PJ4/E
l =t/"M=
四. 问题分析 ,zuS)?
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。 "TP~TjXfq
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。 g!.piG|
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 C>'G?
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ;B;@MD,B
下面我们可以对这几个问题进行分析。 q{_ f"
C4qK52'2s
五. 问题1:一致性 spTz}p^\O
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?| +'Y?K]zbt
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 5JEOLPS
5rf Dm
struct holder J[0 5T1
{ Rc3!u^?u
// 4x}U+1B
template < typename T > cIQbu#[@
T & operator ()( const T & r) const 8AuE:=?,,
{ MGq\\hLD\-
return (T & )r; ]R>NmjAI
} _BY+Tfol
} ; 4Y}Nu
IdMwpru(
这样的话assignment也必须相应改动: xY/F)JOeG
:iLRCK3C
template < typename Left, typename Right > nW*cqM%+
class assignment $)$r
{ ^pH8'^n
Left l; /qJC p![X
Right r; oc]:Ty
public : ul~6zBKO
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} =|``d-
template < typename T2 > d=meh4Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } %[5GG d5w
} ; ke!
S~ Z<-@S
同时,holder的operator=也需要改动: )/vom6y*
!h4A7KBYG
template < typename T > ,Jh#$mil
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const I]i(
B+D
{ 7y3WV95Z\
return assignment < holder, T > ( * this , t); =.CiKV$E
} BgD3P.;[
pW@W-k:u
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。 |pv$],&&:
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 gKl9Nkd!R
Sgv_YoD?-
return l(rhs) = r; l*OR{!3H$
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。 -b{<VrZ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: cD6 ^7QF
W7'<Jom|?
template < typename Tp > ']>9/r#
class constant_t ?}v/)hjp=?
{ 99`w'Nlk
const Tp t; {d*OJ/4
public : _Y;tD
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Ihf)gfHj
template < typename T > B
@QWr;
const Tp & operator ()( const T & r) const AX$r,KmE
{ q?Csm\Y
return t; fz`)CWo:
} 4ryG_p52l
} ; MJqWc6{ n
2C}Yvfm4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 n[gE[kw
下面就可以修改holder的operator=了 d{Jk:@.1
1++g@8
template < typename T > Ex
z B{"
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const "^6Fh"]
{ jd-ccnR l
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); o+}k$i!6
} I/O/*^T
Z#Kf%x.
同时也要修改assignment的operator() yc~<h/}#
=k.%#h{
template < typename T2 > O^=+"O]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } x 55W"q7
现在代码看起来就很一致了。 ?RS:I%bL
te2vv]W1
六. 问题2:链式操作 Kcp YHWCa.
现在让我们来看看如何处理链式操作。 +|d]\WlJ
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。 [.fh2XrVM
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。 G 3,v'D5
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。 #"KC29!Yj
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct !hZ:
\&V
!CX WoM
template < typename T > *!$Z5Im
struct result_1 a-E}3a
{ -$o0P'Vx
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 7`;f<QNo
} ; iLZY6?_^
Ms,MXJtH
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: dt:$:,"
a{r"$>0
template < typename T > L?ht^ H
struct ref ~`QoBZ.O&
{ <fG\J
typedef T & reference; S}VS@KDO
} ; 3~tu\TH6d
template < typename T > i(;`x
struct ref < T &> Lu.+J]Rz
{ {CI4AT!?W
typedef T & reference; $'3xl2T
} ; u-,}ug|
"}qs+
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: aH{)|?
ltgtD k
template < typename T > J??AU0vh
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const $ch`.$wx
{ hI!BX};+}
return l(t) = r(t); eNK
+)<PK(
} .>F4s_6l
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。 \ m~?yq8H
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Zf@B<
m
30uPDDvar
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
#O}}pF
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ;\2Z?Kq
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 4\&Y;upy+
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 F!EiF&[\J
最后的布局是: QcQ%A%VIV
Add |A'I!Jm
/ \ I_v}}h{
Divide 5 &N/t%q
/ \ ?=M?v;8
_1 3 4)8VmCW
似乎一切都解决了?不。 A)sYde(
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。 {m>ylE
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。 kaekH*m~
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: `R8&(kQ
IB[$~sGe
template < typename Right > 9m$;C'}Z
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const <Pt?N2]A|
Right & rt) const Z)W8Of_
{ )ciP6WzzbI
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt);
PtbaC6"\
} NgGMsE\C}
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 q%dG>!
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。
< v]
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。 p
4>ThpX
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。 70c]|5
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。 lJu^Bcrv
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? (4L/I
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: BM,hcTr?
i)z|=
|?
template < class Action > Q!1 ;xw~
class picker : public Action WZNq!K H
{ &[-(=43@
public : xeU|5-d'
picker( const Action & act) : Action(act) {} zg<-%r'$
// all the operator overloaded .
|T=T0^
} ; w7U]-MW6A*
3 2\.-v
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。 ja_8n["z
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: ]WDmx$"&e
%Gh5!e:$SI
template < typename Right > 6*9wGLE
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const \QK@wgu
{ w_56y8Pd4
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Kt_oo[ey{
} +r8bGS]ki
ResU5Ce~
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > _ Ncbo#G
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。 sh$-}1 ;
%)JEYH7Z
template < typename T > struct picker_maker TBBnsj6e
{ SU ~a()"
typedef picker < constant_t < T > > result; INi$-Y+
} ; $~G,T
g
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > (E0
{ .r<aPy$
typedef picker < T > result; ]u_j6y!
} ; rY_~(?XS
9Lb96K?=>
下面总的结构就有了: Z;.-UXat
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。 ]5Uuz?:e
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。 BkB>eE1)Ea
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 'V:Q :
至此链式操作完美实现。 /88s~=
%PYl
w==BSH[
七. 问题3 4!Js="
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。 .*zS2z
sxREk99lL
template < typename T1, typename T2 > a+^`+p/5
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const AatSN@,~z
{ ,5n!a.T
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); }GB~3
J
} '8X>,un
S 5S\zTPIf
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: 6ZQ |L=Ytp
v03cQw\"WE
template < typename T1, typename T2 > 6$k#B ~~
struct result_2 X1|
+9
{ p'/\eBhG]=
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; At(88(y-W
} ; gpV4qDXV
EjR(AqZY
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Uk?G1]$mL
这个差事就留给了holder自己。 ;l@94)@0
uks75W!}U
A>@#eyB
template < int Order > @YI{ E*?S
class holder; 9jkz83/+<
template <> %v0M~J}+
class holder < 1 > ;28d7e}
{ *r`=hNr
public : v/`D0g-uX)
template < typename T > A5XMA|2_
struct result_1 (0$~T}lH
{ Bs~~C8+
typedef T & result; }
!m43x/&
} ; /Y7^!3uM
template < typename T1, typename T2 > <&5z0rDKWw
struct result_2 pp"X0
{ }@r23g%
typedef T1 & result; DB' 0
} ; E`IXBI
template < typename T > Vm[Rp,"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .a*?Pal@@
{ U: 9&0`k(
return (T & )r; pi"H?EHk
} ,-pE/3|(
template < typename T1, typename T2 > uBm"Xkxe|w
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const |#TU"$;
{ @?,x3\N-
return (T1 & )r1; #t+?eye~
} ?XBdBR_"^
} ; eHphM;C
VdHT3r
template <> iGW|j>N
class holder < 2 > U%q)T61
{ KYFKH+d>m
public : 0@ `]m
template < typename T > k%.v`H!
struct result_1
\]ib%,:YU
{ 2.q Zs8&
typedef T & result; hY"eGaoF"
} ; 6V;Dcfvi
template < typename T1, typename T2 > (Z),gxt
struct result_2 /UCBoQ$/]
{ ?JrUZXY
typedef T2 & result; ~MG6evm &
} ; 42Z:J 0
template < typename T > O=0p}{3l
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 5GsmBf$RUb
{ TDh)}Ms
return (T & )r; +IdM|4$\1
} q)q3p
template < typename T1, typename T2 > xWLvx'8W
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const CNB
weM
{ I,?NYIG"(
return (T2 & )r2; %_!/4^smE
} C;BO6$*_e
} ; A2'i~_e
4)8k?iC*
@cDB 7w\
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> >。 fv;Q*; oC&
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: +:KZEFY?<
首先 assignment::operator(int, int)被调用: i).%GMv*r
V+gZjuN$
return l(i, j) = r(i, j); {]CZgqE{
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) vt
EfH
CmU@8-1
return ( int & )i; W{,fpm
return ( int & )j; Hv/C40uM-
最后执行i = j; eR!#1ar
可见,参数被正确的选择了。 JYdb^j2c
FnGKt\
b_x!m{
V.~kG ,Ht
&CG94
八. 中期总结 mv9D{_,pD
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: -)A:@+GF
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 t^#1=nK
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 f|> rp[Gk
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor YU,zQ V'
{j wv+6]U
N8sT?
[L%Ltmx
xQ9t1b|{e
q!z?Tn#!jd
九. 简化 s< tG
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。 uKx:7"KD
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 b_+o1Zy`
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: 0|GYt nd
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 _/>ktYo:
+-*/&|^等 "aGmv9\
2. 返回引用。 rZUTBLZ`j
=,各种复合赋值等 (kL"*y/"p
3. 返回固定类型。 4
]oe`yx
各种逻辑/比较操作符(返回bool) x?i
wtZ@
4. 原样返回。 %JeNDXbI4
operator, m(f`=+lqI`
5. 返回解引用的类型。 frcAXh9
operator*(单目) bJ2-lU% ;2
6. 返回地址。 ]OpGD5jZ
operator&(单目) KloX.y)q
7. 下表访问返回类型。 Zg+.`>z
operator[] igu1s}F
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 {4+/0\
operator<<和operator>> tQ}GTqk
g~<[;6&