一. 什么是Lambda q17c)]<"
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Rtw^
lo
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, Oga0CR_
}9t$Cs%
IBb3A
(%"M% Qko
class filler P0S;aE
{ UvRa7[<y%%
public : (Mhj-0xf$
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Ev%4}GwO4
} ; 5Tluxt71
ge:UliHJ
S*Scf~Qp
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: T[B@7$Dp*
aiGT!2
2]C`S,)
m `~/]QQ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); |/C>xunzz
-}@3,G
1HL}tG?+#
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 U|6 ME%xm
Sx+.<]t2A
L.>tJ.ID
)`yxJ;O@$
二. 战前分析 ^;n,C+
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。 23@e?A=C
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 y 562g`"U
Teu4 ;
|[(4h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); =\`g<0
/* --------------------------------------------- */ 0*YLFqN
vector < int *> vp( 10 ); w'K\}G~
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); zz 7m\
/* --------------------------------------------- */ G*2bYsnhX
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 0DhF3]
/* --------------------------------------------- */ A;m)/@
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ViQxOUE
/* --------------------------------------------- */ 7lY&/-V
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Q7UFF
/* --------------------------------------------- */ ."l@aE=|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); dbSIC[q
I
\zM\^S>]
7g}4gX's
`YAqR?Xj_<
看了之后,我们可以思考一些问题: %5 0}oD@
1._1, _2是什么? P}N%**>`
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。 }legh:/*?O
2._1 = 1是在做什么? X+;Ivx
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。 sy+1xnz
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。 )(TaVHJR
~ ?m';
Y v }G"-=
三. 动工 Brr{iBz*"
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: &F9BaJ
u*Z>&]W_
zM"OateA
VI0^Zq!6R
template < typename T > +'Pl?QyH
class assignment C%t~?jEK~^
{ o$oW-U
T value; YlwCl4hq
public : |`_qmk[:R
assignment( const T & v) : value(v) {} ?Q[uIQ?dV
template < typename T2 > ;0O3b
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } q]YPDdR#
} ; "8%B
(a
5A
xOP%SF
gN1b?_g
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 5s_7P"&H
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 7)!(0.&
h2ewYe<87`
Z0g3> iItM
]N_(M
class holder vg"y$%
{ 5p}Y6Lc\j
public : v~e@:7d i
template < typename T > j*nZ
assignment < T > operator = ( const T & t) const <at/z9b
{ f@l$52f3D
return assignment < T > (t); z(d@!Cd
} >J^bs &j
} ; 0? (
WM5s
ZQ9!k*
^
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: V|KYkEl
r1
'; ,DgR;'
static holder _1; ne] |\]
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 }GJIM|7^
N ncur]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $'*@g1vY
而不用手动写一个函数对象。 i<&*f}='
7YsBwo
>Lp^QP1gU
2ikY.Xi6
四. 问题分析 -hj@^Auf
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 #Mw|h^Wm
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 \c3zK|^
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ^
}Rqe
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 A|1
TE$
下面我们可以对这几个问题进行分析。 /uS(Z-@
NH$%g\GPs
五. 问题1:一致性 <h:> :%# k
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| _+YCwg
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 0gO<]]M?
6Ae <W7
struct holder W.TZU'%
{ 87P{vf#
// [~9rp]<
template < typename T > '#gd19#
T & operator ()( const T & r) const Og[NRd+
{ jOj`S%7
return (T & )r; 7yo/sb9h
} X5 UcemO
} ; B?9K! c
PhW<)B]
这样的话assignment也必须相应改动: #D M%_HXDi
H7n5k,
template < typename Left, typename Right > {E1g+><
class assignment l{F^"_U
{ WV}<6r$e
Left l; RpPbjz~
Right r; .|
CcUmx
public : BTjfzfO"
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 8"/5Lh(
template < typename T2 > }ozlED`E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ;> **+ezF
} ;
/B)ZB})z
H6(kxpOI\
同时,holder的operator=也需要改动: oVutHt
'b#RfF,7H}
template < typename T > yE[ -@3v
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ga&l.:lo
{ wU,{5 w
return assignment < holder, T > ( * this , t); 7_C;-
} qYv/"
1
*5Upb,**
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。 x'kwk
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 N p9N#m?
>FED*C4
return l(rhs) = r; f>\OT
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='1uV<6
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ktLXL;~X
LW6&^S?4{
template < typename Tp > =S/$h}Vi
class constant_t maQE Bi,
{ >yFEUD:
const Tp t; 6z
v+Av:
public : H|_^T.n?E
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} N|hNh$J[
template < typename T > k%-_z}:3V
const Tp & operator ()( const T & r) const TJFxo?
gC"
{ 1;cV [&3
return t; le*mr0a
} uU(G &:@
} ; 6OR5zXpk
S6-)N(3|
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 @k:f(c
下面就可以修改holder的operator=了 9z7^0Ruw
P\\4 w)C
template < typename T > 2`>/y
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const TY~8`+bJ
{ N1$lG?
)+
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 'U
',9
} U ^1Xc#Ff
~01
o
同时也要修改assignment的operator() TP'
A5-y+
template < typename T2 > OJ8 ac6cJ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } !9=hUpRN
现在代码看起来就很一致了。 f1MKYM%^x
>B(%$jG Z
六. 问题2:链式操作 !GI*R2<W
现在让我们来看看如何处理链式操作。 cmgI,n-o?
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。 ?:l3O_U5
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。 Awl4*J~
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。 *KNj5>6=
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct
o`S|
UwOZBF<
template < typename T > )&:4//}a
struct result_1 =H6"\`W
{ vaL+@Kq~&
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; (dD+?ZOO
} ; #(&!^X3
usEdp
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: '9^+J7iO(+
A6ipA/_
template < typename T > P5s'cPX
struct ref J'^H@L/E
{ "?EoYF_
typedef T & reference; i? 5jl&30
} ; xCwd*lsM
template < typename T > +F3@-A
struct ref < T &> (t'hWS
{ ,jJ&x7ra8
typedef T & reference; ?"f\"N
} ; q<(yNqMKP
[uCW8:e
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: O="#yE)
E!<w t
template < typename T > qN((Xz+AZE
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const .),ql_sXr
{ f)w>V3~w,
return l(t) = r(t); sv`+?hjG
} S@i*+&Ot
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。 MmH[ 7R
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 L rV`P)$T
_mVq9nBEf
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 5BKga1Q
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: WE\@ArY>
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ,]HH%/h
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 =4`#OQ&g
最后的布局是: tDj~+lmdN
Add
fp!Ba
/ \ mU.(aLHW
Divide 5 l`c&nf6
/ \ R3+y*<<e
_1 3 j8WMGSrrF
似乎一切都解决了?不。 :SFcnYv0
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 ZuZe8&
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 oE:9}]N_
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 4oW6&1
mlC_E)Ed5
template < typename Right > IG@.W sM_
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 7A0D[?^xe
Right & rt) const m(Ghe2T:
{ #B7_5y^
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); lx9tUTaus/
} <aps)vF
下面对该代码的一些细节方面作一些解释
gC^4K9g
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 M$&aNt;
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。 =xwA'D9]
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。 ^M?O
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。 / J 3
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? s}Y_og_c
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: %|mRib|<C
hE.NW
template < class Action > i'Vrx(y3
class picker : public Action lGHU{7j\
{ yt,xA;g
public : Brw-"tmx
picker( const Action & act) : Action(act) {} lq0@)'D
// all the operator overloaded /G)Y~1ASA%
} ; %qG nvQ
i,HafY
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。 5!WQ
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: Y r3h=XY
v:otR%yt
template < typename Right > 72rnMHq
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const xj6ht/qq
{ W 2/`O?
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ybWb'+x
} Vgy}0pCl
E-Z6qZ^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > D)C^'/8q
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。 >E*j4gg
JkT, i_
template < typename T > struct picker_maker VQSwRL3B=
{ [I/f(GK
typedef picker < constant_t < T > > result; 4`Com~`6"
} ; @C[]o.r
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Y1e>P
{ !uaV6K
typedef picker < T > result; 6ww4ZH?j
} ; k.Tu#7
P%#WeQ+
下面总的结构就有了: 1J$sIY,Ou
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 aXi5~,Ks_
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 7R9S%
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?^TjG)e7
至此链式操作完美实现。 7WZ).,qxY
d=<"sHO
E,"?RbG
七. 问题3 3`y9V2&b
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 #H]cb#
32DT]{-N!
template < typename T1, typename T2 > SQ*dC
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const AhjK*nJF
{ 7.hgne'<
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); /?<tjK' "H
} *#ccz
Gb)!]:8
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: _T[ =7 cn
th&?
template < typename T1, typename T2 > Wi a%rm
struct result_2 tI651Wm9
{ 5sbMp;ZM
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; V6)e Jy
} ; :U^!N8i"=
Y\e,#y
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ]Z/<HP$#
这个差事就留给了holder自己。 z#qlu=
7:fC,2+
/_Z--s>j
template < int Order > eWjLP{W
class holder; u\~dsD2)q
template <> r;3{%S._
class holder < 1 > @^g/`{j>J
{ Jw%0t'0Zi
public : #BA=?7
template < typename T > bMT1(edm
struct result_1 ]{->/.oB
{ EdQ:8h
typedef T & result; nAc02lJh|
} ; S}=d74(/n
template < typename T1, typename T2 > T&.ZeB1
struct result_2 \^<eJfD
{ eow6{CD8
typedef T1 & result; _g+^ jR4
} ;
2[WH8l+
template < typename T > =nQ"ye
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const }6#lE,\lM
{ Z i-)PK^
return (T & )r; j$l[OZ:#
} /S29\^
template < typename T1, typename T2 > Uj!3H]d
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /jJi`'{U
{ tb;!2$
return (T1 & )r1; 2qEm,x'S
} BE
n$~4-
} ; }?f%cRT$
Xg>nb1e
template <> R"Q=U}?$
class holder < 2 > \x JGR!
{ .h)o\6Wq
public : uyr56
template < typename T > 9
yH/5'
struct result_1 <gU^#gsGra
{ a]NQlsE}l
typedef T & result; dZnAdlJ
} ; m/#)B6@A
template < typename T1, typename T2 > A%H" a+
struct result_2 ICSi<V[y1
{ $$E!u}
typedef T2 & result; 2{!o"6t
} ; [t^Z2a{
template < typename T > Ns.b8Y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const S{cy|QD
{ c(@V
t&gE
return (T & )r; vby[#S|
} %E q}H
template < typename T1, typename T2 > c"X` OB
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^l\U6$3
{ &WW|! 6
return (T2 & )r2; I;dc[m
} )bc0 t]Fs
} ; H]@M00C
d!0p^!3
X}?`G?'
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 #h'F6
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: #7S[Ch}O
首先 assignment::operator(int, int)被调用: aa!o::;
0pP;[7k\
return l(i, j) = r(i, j); zUg-M
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) -)%l{@Mr
qaK9E@l
return ( int & )i; BU|=`Kb|))
return ( int & )j; ?#|Y'%a"
最后执行i = j; M7R.?nk
可见,参数被正确的选择了。 J!sIxwF
'bN\8t\S
'F[m,[T%x
0)/L+P5
Obd@#uab
八. 中期总结 s{v!jZ
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: AH$D./a
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 [d="94Ab
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ?3ldHWa
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Z1j3 F
BLzlXhHn
Bob K>db
U8_<?Hd
mfHZGk[[
3DH}
YAUU
九. 简化 Q[t|+RNKv2
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。 Bny3j~*U
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 sqkk4w1#C
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: uveby:dh
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 U_ j\UQC
+-*/&|^等 Hk'D@(hS
2. 返回引用。 p<#WueR[
=,各种复合赋值等 )H&rr(
3. 返回固定类型。 >sW9n[
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 3ifQKKcR{
4. 原样返回。 ?Rlo<f:Mf
operator, ;eYm+e^?.
5. 返回解引用的类型。 29R_?HBH
operator*(单目) V gLnpPOQ
6. 返回地址。 92|\`\LP%
operator&(单目) }G,PUjg_^3
7. 下表访问返回类型。 sJ{S(wpi"
operator[] <d".v
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Opc, {,z6
operator<<和operator>> .t\#>Fe
}Gmwm|`*
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。 |E/r64T
例如针对第一条,我们实现一个policy类: `w@8i[2J
&)4#0L4
template < typename Left > E! '|FJ
struct value_return X 4\
{ 1"pvrX}
template < typename T > 3o=R_%r
struct result_1 *3;H6
{ 9os>k*
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; !]1'?8
} ; '1|FqQ\.
+AGI)uQQ
template < typename T1, typename T2 > iT f]Pd'
struct result_2 S>AM?
{ k+
Shhe1
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; kXw&