一. 什么是Lambda ;g+]klR!
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 NO2(vE
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, 6Cv.5Vhx
gqfDacDJL
P\AqpQv
>'b=YlUL
class filler
]ENK8bW
{ Bd&`Xfebj
public : {~'H
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} {n&Uf{
} ; H O*YBL
Ys3uPs
_~&9*D$
{>
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: lL0M^Nv
R%"K
ugLlI2 nJ
JNi=`X&A
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ]Lm'RlV
>g}G}=R~3
4-^[%&>}
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 )+EN$*H
TH:W#Ot
50$W0L$
A
gWPa.'3
二. 战前分析 $FX,zC<=
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 R\O.e
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 vFhz!P~
(>7>3
"@yyXS
r
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); E ]f)Os$
/* --------------------------------------------- */ !MV@)
(.
vector < int *> vp( 10 ); gKi{Y1
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); {dzoEM[
1s
/* --------------------------------------------- */ v"!4JZ%K
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ;gB`YNL
/* --------------------------------------------- */ qZ+H5AG2
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ?obm7<
/* --------------------------------------------- */ +@:L|uFU
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 8ObeiVXf)
/* --------------------------------------------- */ r*XLV{+4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); J^
G
uQ3[Jz`y
6q/?-Qcy
[Qj;/
看了之后,我们可以思考一些问题: $NG++N
1._1, _2是什么? Z :nbZHByh
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 Adx`8}N8
2._1 = 1是在做什么? i$uN4tVKT
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。 5kMWW*Xtf
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。 y7lWeBnC
a`c:`v2o
;rHO&(h-
三. 动工 =RsXI&&vh
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 'i|rjW(
m_7
nz!h
<02m%rhuW
5V5w:U>_z
template < typename T > D4u%6R|F
class assignment $xgBKD
{ wCKj7y[
T value; P'$ `'J]j
public : 9A$m$
assignment( const T & v) : value(v) {} cgT
template < typename T2 > !0}\&<8/m
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } osP\DiQ
} ; 5iX!
lAFJ
~Y!kB:D5;~
EbQa?
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 #"*e+.j[;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment [(mlv42"
;;U:Jtn2
{6Au3gt/
zJN7<sv
class holder Y]g?2N=E
{ +9A\HQ|22
public : CI7A#
6-
template < typename T > c-4STPNQi
assignment < T > operator = ( const T & t) const 0 p uY"[c
{ P 7D!6q
return assignment < T > (t); ,_
2x{0w:>
} K7)kS
} ; L"(4R^]
k!L@GQ
7<\C?`q"
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: b1?xeG#
\IM4Z|NN"
static holder _1; 8At<Wic
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ?h8{xa5b
TLa]O1=Bf.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Sm{>rR
而不用手动写一个函数对象。 P ,mN >
$iw%(H
^"8wUsP
VR?^HA9
四. 问题分析 _.)eL3OF
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 r?$?;%|C
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。 5jcte<
5I_
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 N@T.T=r
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 rSXzBi{
下面我们可以对这几个问题进行分析。 UK[v6".^h
RVw9Y*]b
五. 问题1:一致性 a:STQk V
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?| c,\i"=!$
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 0ezYd S~o
E2wz(,@
struct holder ;t#]2<d*
{ u,.3
// o2H1N~e#c
template < typename T > a}yXC<}$
T & operator ()( const T & r) const kma?v B
{ %|W.^q
return (T & )r; +~zXDBS9
} 3INI?y}t
} ; m` AK~O2
*~XA'Vw!
这样的话assignment也必须相应改动: 6 ,ANNj
22hSove.
template < typename Left, typename Right > JAc_kl{4O
class assignment 5N$E()m$
{ k`KGB
Left l; IIFMYl gF
Right r; 4<,|*hAT
public : Tb;d.^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} XKOUQc4!R
template < typename T2 > Xf'=+f2p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } +FG$x/\*0
} ; w42OF7f
I5ss0JSl/
同时,holder的operator=也需要改动: x+5k
<Xi}
{Bvj"mL]j
template < typename T > iOw3MfO
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const +>^7vq-\'
{ q-$`k
return assignment < holder, T > ( * this , t); Pf_F59"
} 5i6
hp;=
g:ErZ;[
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。 rM}0%J'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 R@Y=o].2
lU]un&[N
return l(rhs) = r; vE, 37
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。 c~,23wP1
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: w?vVVA
nt1CTWKM8^
template < typename Tp > bKVj [r8D~
class constant_t =s97Z-
{ k8nLo.O
const Tp t; ITJ q
public : $o?@0
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 8OhDjWVJ
template < typename T > Ds8
EMtS
const Tp & operator ()( const T & r) const FyL_xu\e
{ H[Q_hY[>V
return t; ^H'a4G3
} ;oOv/3
} ; a~LC+8|JW
we7c`1E
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 =1;=
下面就可以修改holder的operator=了 ;$j7H&UNQj
,{eUP0]
template < typename T > !/{+WHxIr|
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const uwIc963
{ .ae O}^
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); dj6*6qX0'^
} <-Bx&Q
)u ?' ;
同时也要修改assignment的operator() oS,I~}\kQ
,.IEDF<&
template < typename T2 > %bXtKhg5eJ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } .3 pbuU
现在代码看起来就很一致了。 U_yE&6 T
m#H3:-h,
六. 问题2:链式操作 cTZ.}eLh
现在让我们来看看如何处理链式操作。 n}-3o]ku
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。 r} _c
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。 N6oq90G
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。 SU _SU".
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct [|`U6
8}u
<oMUQ*OtV
template < typename T > uZKP"Oy
struct result_1 nx":"LFI
{ he3SR@\T
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; xh@-g|+g
} ; g\oSG)
eEc4bVQa
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: eHg3}b2r
M<?Q4a'Q
template < typename T > Wk;5/
struct ref w[Gh+L30=5
{ Q'B6^%:<~
typedef T & reference; >"X\>M`"
} ; H/F+X?t$0
template < typename T > U$&hZ_A
struct ref < T &> P3tx|:gV
{ DLPUqKL]
typedef T & reference; 9|'B9C
} ; Z-=YM P ]Q
jLg@FDb~
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: \J^
DLE8+NV8
template < typename T > ,0$)yZ3*3,
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const UnWW/]E
{ [jx0-3s:X
return l(t) = r(t); Zwt; d5U
} i hL/n
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。 rWtZj}A
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 uw\1b.r'B
6w3R'\9
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 vP!GJX&n5
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: VUU]Pu &
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 X##1!
ad
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 _=6 rE
最后的布局是: 6bc337b
Add k4J8O3E
/ \ >r5P3G1
Divide 5 Lr;(xw\['
/ \ |8_JY2
R
_1 3 / RZR}
似乎一切都解决了?不。 5vzceQE}
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。 !#ri5{od
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。 >>d m}X
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: ~Z/
^c,[:
}'"Gr%jf(
template < typename Right > Qq-"Cg@-/
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const S&nxok`e^
Right & rt) const }]1BO
{ .@ C{3$,VG
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); HY;o^drd
} =]R3& ]#n
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 <<A`aU^fX
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。 jo+w>
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。 PQW(EeQ
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。 iL{M+Ic
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。 @xsP5je]
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? $$Vt7"F
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: ?{"mP 'dD
Dz=k7zRg"
template < class Action > G}@#u9
class picker : public Action PALl sGlf
{ cR-~)UyrO
public : pb60R|k
picker( const Action & act) : Action(act) {} .N4
// all the operator overloaded E{xVc;t
} ; <<9Va.
M_0zC1
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。 R)?{]]v
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: QlFZO4 P3|
Uv_N x10
template < typename Right > C`rLj5E%
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const "o!{51!'
{ M
x5`yT7
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -
N>MBn
} q+SD6qM
h)lPi
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > &WXY 'A=
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。 "Y`3DxXz
fjo{av~]y
template < typename T > struct picker_maker wCMQPt)VS
{ TG48%L
typedef picker < constant_t < T > > result; LVIAF0kX
} ; P47V:E%
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > e[u?_h
{ e/_C
typedef picker < T > result; v1U?&C
} ; VO3pm6r5
ubMOD<
下面总的结构就有了: dBsX*}C
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。 psh^MX)Q
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。 5cr(S~Q;
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 72W,FU~OD
至此链式操作完美实现。 A*h{Lsx;
)O+}T5c=
iq#b#PYA
七. 问题3 h-a!q7]l
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。 zr v]
|rw%FM{F
template < typename T1, typename T2 > Xy ,lA4IP
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const DF]9@{
{ ^Jp&H\gI.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); c'6g*%2k
} M69
w-
Kemw^48ts
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: l:;PXy6)
p;)"
template < typename T1, typename T2 > j| Wv7
struct result_2 A,CW_
{ O-]mebTvw
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; %R#L
} ; c5q9LQ/
[L`ZE*z
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? JTqDr
这个差事就留给了holder自己。 r;9 r!$d
#
?1Sm/5k`
!IU.a90V
template < int Order > .M,RFC
class holder; TlAR.cV
template <> &wd;EGGT!q
class holder < 1 > m42T9wSsx
{ g,`A[z2
public : ,y4I[[
template < typename T > ~AYN
struct result_1 :.(;<b<\
{ M7f;Pa
typedef T & result; nKR{ug>I)
} ; NW~z&8L
template < typename T1, typename T2 > I`[i;U{CK
struct result_2 UT~a&u
{ ZnFi<@UB)
typedef T1 & result; #QCphhG
} ; {NpM.;
template < typename T > jR=s#Xz
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const $'W}aER
{ 2._X|~0a
return (T & )r; 5<I
} #T`t79*N
template < typename T1, typename T2 > 4'W '}o|{
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const yx V:!gl
{ 2|\A7.
return (T1 & )r1; =to=8H-
} N@B9
@8h
} ; |AZg*T3:W
/iG*)6*^k
template <> 5cx#SD&5/
class holder < 2 >
2VW}9O
{ s
{^yj
public : dr4Z5mw"E
template < typename T > No2b"G@
struct result_1 }b 1cLchl
{ >#ZUfm{k$
typedef T & result; $ d?.2Kg
} ; `y#UJYXQE
template < typename T1, typename T2 > 1+?^0%AC
struct result_2 54zlnM$
{ );-~j
typedef T2 & result; 8p[)MiC5W^
} ; +{sqcr1G
template < typename T > %`Z!4L
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ~
T>U
{ -G6U$
return (T & )r; +iOKb c'
} VK@!lJu!
template < typename T1, typename T2 > C]Q8:6b
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const FVhU^
{ I%urz!CNE*
return (T2 & )r2; ]qhPd_$?D'
} Haqm^Ky$
} ; 3_A
*$
4@xE8`+bG
G@j0rnn>B
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> >。 |JCU<_<
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: (5\NB0
首先 assignment::operator(int, int)被调用: P;4w*((} ~
w3$
return l(i, j) = r(i, j); R:B^
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) qx%}knB
:6%Z]tt
return ( int & )i; 2;w*oop,O
return ( int & )j; (W}bG>!#Q8
最后执行i = j; ;J7F J3n
可见,参数被正确的选择了。 JchSMc.9
;| 1$Q!4
W%\C_
<_Q1k>
}V\N16f
八. 中期总结 -lv)tHs<
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 1@$Ko5
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 )m. 4i =X
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 qgrg CJ
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 7F'`CleU
{p,]oOq\
)+fh-Ui
}}<z/zN&^
aM;W$1h
/7
Cn(s5 o
九. 简化 }1r m
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。 VH:]@x//{
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 GAAm0;
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: HJY2#lSha6
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 0#MqD[U(
+-*/&|^等 %'T #pz
2. 返回引用。 ,GgAsj: K
=,各种复合赋值等 &