一. 什么是Lambda 94I8~Jj4
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 &J^@TgqL^
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, N'Va&"&73>
_6THyj$f
K2nq2Gbn
Cca(
oV
class filler N J:]jd
{ k#`.!yI,
public : 7M}T^LC
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} (rFY8oHD
} ; U
jVo "K
aW %ulZ
% Z&[wU~
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: NFY,$
KXcG;b[7n
K]zBPfx
FB@c
+*1
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); NAV}q<@v
?PiJ7|
VZYdCZ&l7
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 a}#[mw@m=
<VB
KJ,{w?p~
)
<;#d*&]
二. 战前分析 O<S*bN>BF
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。 J5k\R+\H
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 >!E:$;i@
eOy{]<l3
KQ?E]}rZ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ItQI M#
/* --------------------------------------------- */ e`4OlM]
vector < int *> vp( 10 ); kJy<vb~
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); aMuc]Wy#
/* --------------------------------------------- */ 4 *He<2g
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Wf13Ab
/* --------------------------------------------- */ Bcrd}'no
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); zF<*h~
/* --------------------------------------------- */ v[CX-CBZ?
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); xZtA) Bp
/* --------------------------------------------- */ 6VolTy@(x
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 0@,,YZf
X"J79?5
HoymGU`w
M]jzbJ3Q
看了之后,我们可以思考一些问题: ?A(=%c|,g
1._1, _2是什么? )HS|pS:
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。 W2tIt&{
2._1 = 1是在做什么? `>rdn*B
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。 RoM'+1nP:#
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。 u%5B_<90V
T#J]%IDd
"KOLRJ@
三. 动工 ?YXl.yj
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: HYLU]9aH8
?F*gFW_k
f!P.=Qo[=
"My \&0-
template < typename T > ,V)yOLApVj
class assignment vkE6e6,Qc
{ nE]R0|4h
T value; $k@reN9
public : BI;in;Ln
assignment( const T & v) : value(v) {} -:pLlN-f
template < typename T2 > itX<!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } PAH;
+
} ; $&n!j'C:
fbNVmjb$)
93)&
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Da_g3z
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 0%k`*8
RFDwL~-p
;.!AX|v
ff-9NvW4v
class holder
Rla1,{1
{ nXb;&n%
public : +?*,J=/
template < typename T > h:"<x$F
assignment < T > operator = ( const T & t) const -}9ZZ#K
{ LEc%BQx
return assignment < T > (t); 1
W2AE?
} Nk86Y2h
} ; _(<[!c!@0
xlqRW"
u` `FD
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: mcb0%
U|uvSJ)X
static holder _1; fseHuL=~
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ~(-B%Az
rh${pHl
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); vov"60K
而不用手动写一个函数对象。 $eX ;
2
4tCyd5u a8
7>wSbAR<
zYYc#N/
四. 问题分析 E>KV1P
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 IBQmm(+v
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 tE9%;8;H
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 syv6" 2Z'B
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Xko[Z;4v8'
下面我们可以对这几个问题进行分析。 dW,$yH_
opjrU$<]N
五. 问题1:一致性 NL0X =i
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?| "npj%O<bd
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 )<1M'2
1r\? uD
struct holder LC*@/((
{ 2y,NT|jp
// mj%Iow.
template < typename T > }Wn6r_:
T & operator ()( const T & r) const ?#rDoYt/Sx
{ $wdIOfaH
return (T & )r; Q^DKKp
} c3`X19'%fM
} ; f<!eJO:<'
gUy >I(
这样的话assignment也必须相应改动: 1
BAnf9
y2TJDb1
template < typename Left, typename Right > PC7U&*x@
class assignment *
"~^k^_b}
{ 31
QT
Left l; i.)kV B
Right r; Qi w "x,
public : *9`@
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ]{0
2!
template < typename T2 > F9]GEBLr
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } .?<,J
} ; -wW%+wH
U5Q `r7
同时,holder的operator=也需要改动: 7$\;G82_
yw{GO([ZQ
template < typename T > hJkIFyQ{j
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const &`Z>z T}
{
w6qx
return assignment < holder, T > ( * this , t); rKg5?.
} %_(e{Mf)
k,0JW=Vh>|
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。 L
V?- g
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 =Mc*~[D/
MJt?^G (w?
return l(rhs) = r; <I&X[Sqp
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。 ?Sh]m/WZd[
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: =xw) [
,~hvFTJI
template < typename Tp > &+xNR2";
class constant_t eXc`"T,C.
{ <omSK-
T-
const Tp t; qYl%v
public :
1Vp['&
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ';^VdR]fk
template < typename T > dArg'Dc4
const Tp & operator ()( const T & r) const bfVKf}
{ E"b+Q
return t; 0%<Fc9#
} 'Wn'BRXq3
} ; \@N8[
Y#=0C*FS
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 !.?2zp~
下面就可以修改holder的operator=了 3T'9_v[Y
JpcG5gX^B
template < typename T > p[!&D}&6h
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const i
?%;s5<
{ d!D#:l3;
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); >KNiMW^V
} ]t=m
K pDK Ii
同时也要修改assignment的operator() MD1n+FgTu
L09YA
template < typename T2 > 5*/~) wN\U
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } >OgA3)X
现在代码看起来就很一致了。 F
*=>=
[1F.
六. 问题2:链式操作 k-Hy>5;
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Eh^c4x
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。 `+CRUdr
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。 B36_OH
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。 NoB)tAvw
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct bE74Ui
8doKB<#_+=
template < typename T > 08n2TL;EsX
struct result_1 bX Q*d_]WT
{ W;4rhZEgd
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; >=G;rs
} ; tda#9i[pkH
-,)&?S
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: Sb+^~M
&xo_93
template < typename T > W4%I%&j
struct ref 5/F1|N4
{ @SjISZw_
typedef T & reference; zR_ "
} ; s!:'3[7+
template < typename T > ><V<}&:y$(
struct ref < T &> $M5iU@A
{ M+j V`J!
typedef T & reference; j^;f {0f
} ; oCg|*
c|+
JfGU3d*c
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下:
xAbx.\
1YV ;pEw3w
template < typename T >
e{EKM4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const wj!YYBH
{ `d2
r5*<
return l(t) = r(t); D_]4]&QYT
} 4
3V{q
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 <'N"GLJ
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 MKPxF@N(
H(Pzo+k*
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 L{1MyR7`I+
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: :d}I`)&
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 U2<8U
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 2n+tc
最后的布局是: O$zXDxn
Add ;l`us
/ \ L|ZxB7xk
Divide 5 h*d1G9%Q1
/ \ KG<. s<
_1 3 =hFIH\x
似乎一切都解决了?不。 uE] HU
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。 2>TOCBB"
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。 3N c#6VI
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: "`g5iUHqUl
.JCd:'-
template < typename Right > =D;n#n 7
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const +*uaB
Right & rt) const 9UDanj P
{ 42$ pvw<
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); =EFCd=i
} 4}4 cA\B:n
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 tE'^O<
K
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。 DpQ\q;
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。 =T!eyGE
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。 Br4[hUV/
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。 Y%9$!
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? f[}(E
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: %9v l
rj}O2~W~4
template < class Action > >PuQ{T I
class picker : public Action FQTAkkA_!
{ q"(b}3
public : )OHGg
picker( const Action & act) : Action(act) {} U45kA\[bZ
// all the operator overloaded :'`y}'
} ; iq^F?$gFk
gcF:/@:Rm
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。 Upw`|$1S
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 0\zY?UUww
B/O0 ~y!n
template < typename Right > "w&IO}j;=
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Oh# z zo
{ a\-AGG{2/X
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :A7\eN5
} +[vIocu
,>!%KYD/f
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > JAx0(MZO
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 x52#md-Z
Ty<."dyPW
template < typename T > struct picker_maker &R5zt]4d&
{ A=W:}szt]
typedef picker < constant_t < T > > result; _mWVZ1P
} ; }#r awVe=
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > {x{~%)-
{ :%_\!FvS
typedef picker < T > result; Gsn$r(m{K
} ; p<[MU4
t)|~8xpP
下面总的结构就有了: <@Z`<T6
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。 R1$s1@3I|
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 %@9c'6
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Upa F>,kM
至此链式操作完美实现。 :
&bJMzB
qCkC 2Fy(
{8I,uQO
七. 问题3 S=}1k,I
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 _?>x{![
8
XQo
template < typename T1, typename T2 > N TcojA{V$
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const U ,NGV0
{ YdDP;,
DA
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); fUMjLA|*I<
} iGPrWe@.
Jxf>!\:AZu
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: W_L*S4 ~
w_h{6Kc<
template < typename T1, typename T2 > FI,K 0sO/|
struct result_2 jB<B_"
{ P!Brw72
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Q5c3C&$6
} ; QLH!> 9Ch
!RP0W
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? \o*w#e[M
这个差事就留给了holder自己。 qjObu\r
~R&rQJJeJ
7Kf
template < int Order > :wq][0)
class holder; oam$9 q
template <> <Drm#2x!E
class holder < 1 > yg.o?eML
{ m%0_fNSJ
public : Na$.VT
template < typename T > =r4sF!g
struct result_1 ZC]|s[
{ NH;e|8
typedef T & result; et2;{Tb,5
} ; X%mga~fB
template < typename T1, typename T2 > r+8)<Xt+p
struct result_2 yAAV,?:o[
{ #+QJ5VI:
typedef T1 & result; #SKC>MGz
} ; ~!S/{Un
template < typename T > mPU}]1*p
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const @F]w]d
{ IsmZEVuC
return (T & )r; hraR:l
D
} v%$l(
template < typename T1, typename T2 > ,m[XeI
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ?wu@+
{ ul3~!9F5F
return (T1 & )r1; X- tw)
} h/oun2C
} ; Fv7]1EO.
=igTY1|af
template <> ^vxx]Hji
class holder < 2 > ,,H;2xYf
{ F!3p )?
public : O1UArD
template < typename T > R%4Yg(-Q
struct result_1 @<3E`j'p
{ L[ZS17;*
typedef T & result; +m]-)
} ; '<3h8\"
template < typename T1, typename T2 > ,ss"s3
struct result_2 c(uDkX
{ wK0x\V6dJ
typedef T2 & result; (kVY\!UAt
} ; ]isq}Qv~
template < typename T > >|, <9z`D
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const P4HoKoj2`
{ 7m
ou
return (T & )r; vp2w^/])u
} -.r"|\1X
template < typename T1, typename T2 > TFG?
EO
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const :8(jhs
{ 8!0fT}
return (T2 & )r2; u(FOSmNkN
}
&a4FGzR#
} ; #q K.AZi
Cu5_OJ
cpl Ny?UIC
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 Ux1j +}y
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: T9}~]zW7P
首先 assignment::operator(int, int)被调用: qSlo)aP
[0qswsV
return l(i, j) = r(i, j); K>vl o/#!
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) L*dGo,oN
@Co6$<
return ( int & )i; $3B%4#s
return ( int & )j; OwEV$Q
最后执行i = j; %f'=9pit
可见,参数被正确的选择了。 gxmo 1
_p0gXb1m`
!@])Ut@tN
0ETT@/)]z
w&f>VB~,1
八. 中期总结 x]yIe&*('
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_KW1RV
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 [Rub
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 4i.&geXA.
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor @54$IhhT~
n_4.`vs
Uj\t04
M*bsA/Z
Y[vP]7-
2+I5VPf
九. 简化 O'B3s y
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。 +,,dsL
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 .wp[uLE
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: cLp_\\
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 y\j[\UZKO
+-*/&|^等 G~DHNO6
2. 返回引用。 50dN~(;p
=,各种复合赋值等 [T4{K&
3. 返回固定类型。 JBA{i45x
各种逻辑/比较操作符(返回bool) xv Xci W
4. 原样返回。 8\9W:D@"x
operator, b:'8_jL
5. 返回解引用的类型。 u $[&'D6
operator*(单目) lAA-#YG
6. 返回地址。
Ip`1Wv_
operator&(单目) yUf`L=C:
7. 下表访问返回类型。 b$0;fEvIJn
operator[] Q!3-P
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ZbVn"he
operator<<和operator>> )X," NJG
"=K3sk
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 V~#5^PF{
例如针对第一条,我们实现一个policy类: I
L7kpH+y
Du
+_dr^4
template < typename Left > "=+i~N#Sc
struct value_return K|\0jd)N
{ ?$ov9U_
template < typename T > Dq%}({+
struct result_1 @`+\vmfD
{ ^7ID |uMr
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ^!C
} ; x^c,cV+*
c%O97J.5b
template < typename T1, typename T2 > aCH;l~+U
struct result_2 ]mi\Y"RO
{ 7[0Mr,^
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; S&-F(#CF^
} ; H" A@Q.'
} ; w2V:x[
$<XQv $YS
KztQT9kY
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait Sh5)36
h5T~dGRlR
下面我们来剥离functor中的operator() .b`8
+
首先operator里面的代码全是下面的形式: 7p\&