一. 什么是Lambda #:/27
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 _G'A]O/BZD
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, x#zj0vI-8
A,=>
|&*
uGqeT#dP
/{R.
class filler i1m>|[@k
{ ^3H:I8gRCl
public : |JHNFs
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} T{"Ur:p
} ; n~}[/ly
gFu,q`Vf*
W3\E;C-g0
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: 2 >j0,2
$ Y^0l
p4UEhT
re}PpXRC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); r)K5<[\r
[?O4l`
8"-=+w.CZ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 HIvSpO
~w|h;*Bj
'gg<)Bd
yG7H>LF?8
二. 战前分析 ^~7Mv^A
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。 :l1-s]
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 g0}jE%)
B$x@I\(M
i'"#{4I
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); BT_XqO
/* --------------------------------------------- */ *n7=m=%)
vector < int *> vp( 10 ); HX}B#T
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); /93z3o7D>
/* --------------------------------------------- */ A*81}P_
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); @o^$/AE?
/* --------------------------------------------- */ udBIEW,`
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); '<uM\v^k
/* --------------------------------------------- */ o|c6=77043
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); vf+z0df
/* --------------------------------------------- */ Hs:zfvD
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); [[6"qq
A|:+c*7]
vq+CW?*"
o9]32l
看了之后,我们可以思考一些问题: rBi<Yy$z
1._1, _2是什么? r `n|fD.
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。 g}gGm[1SUo
2._1 = 1是在做什么? m{X{h4t
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。 Pc< "qy
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。 :9%e:-
~_N,zw{x
z>,M@@
三. 动工
^RT_Lky
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: U1E@pDH
v{uq
2rf8)8':
xE^G*<mj:
template < typename T > vc p{Gf|^
class assignment *i:8g(
{ ytjZ7J['{
T value; [MwL=9;!H
public : RLF6Bc
assignment( const T & v) : value(v) {} t&=bW<6
template < typename T2 > rr1'|
k"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } .KC V|x;QW
} ; O2pE"8=4Q
+_cigxpTc
&|ne!wu
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 p5vQ.Ni*\-
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment L[Z^4l_!
ex1!7A!}g
N|2d9E
a{^z= =
class holder xR&:]M[Vg
{ 26nwUNak
public : t=@d`s:R2
template < typename T > kc P ZIP:
assignment < T > operator = ( const T & t) const lnyq%T[^
{ 9< 07# 8c.
return assignment < T > (t); e@0|fB%2
} ht ]n*
} ; Q[K$f %>
1+N'cB!y
]GY8f3~|{
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 8Nyz{T[
;nW;M 4{
static holder _1; R3lZ|rxv:
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 JQ0Z%;"
Y,Z$U| U
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); stUv!
而不用手动写一个函数对象。 hLgX0QV
[m
h>N$
`^hA &/1
:.XlAQR~b
四. 问题分析 iJOG"gI&
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。 f>C+ l(
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。 ]w;t0Bk
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Ib{l$#
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ?&eS }skL
下面我们可以对这几个问题进行分析。 0[%{YmI{W
||pOiR5
五. 问题1:一致性 W$SV+q(rT
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?|
#iv4L
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 SH =S>
Ea<\a1Tl43
struct holder 9=]HOUn
{ #xu1
eX0<
// =0Y0o_
template < typename T > UR_Ty59
T & operator ()( const T & r) const `Kf@<=
{ x,10o
return (T & )r; &`n:AR`
} z8}QXXa
} ; .$x}~Sw
9v*y&V9/
这样的话assignment也必须相应改动: <5pNFj}0;X
Tr:@Dv.O
template < typename Left, typename Right > oYf+I
class assignment a B MV6'
{ S$fS|N3]%
Left l; e4Y+u8gT
Right r; =UK:83R(
public : E2w-b^,5
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} '*rS,y
template < typename T2 > K g#Bg##
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Aqf91
[c
} ; _$@fCo0
ineSo8| @
同时,holder的operator=也需要改动: 27c0wzq
t!/~_}eD J
template < typename T > kjV>\e
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const SUMfebW5
{ {[Ri:^nHgL
return assignment < holder, T > ( * this , t); T?!SEblP]
} l6w\E=K
;0oL*d[1Z
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Qfy_@w]
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 H#hpaP;
86-Rm
return l(rhs) = r; ^i_v\E[QU
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 E8sM`2z5
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: af>i
L,#YP#O,j
template < typename Tp > rqN+0CT
class constant_t |z_Dw$-xm
{ AhOBbss]q
const Tp t; v}t{*P
public : v*GS>S
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} dZ(Z]`L,B
template < typename T > )hO%W|
const Tp & operator ()( const T & r) const > _sSni
{ L{>rN`{
return t; ~?b1x+soV
} H9TeMY
} ; ",gVo\^
Z9 ws{8@_
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 w)vpo/?
下面就可以修改holder的operator=了 YiuV\al
b~>@x{
template < typename T > Jf7H;ZM<
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const U
^O4HJ
{ 2Q@na@s
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); iExKi1knx
} dba_(I~y
['\R4H!x
同时也要修改assignment的operator() 6q>iPK Jt
+0ukLc@
template < typename T2 > .{8[o[w
=
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Pz2Q]}(w
现在代码看起来就很一致了。 ~gZ1*8 s`
]JGq{I>%+6
六. 问题2:链式操作 jsgDJ}
现在让我们来看看如何处理链式操作。 R#~l[S8u^
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。 aDX&j2/
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。 cyWb*Wv
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。 GR*sk#{
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Hc\@{17
=2GKv7q$x,
template < typename T > u?SwGXi~8
struct result_1 cOpe6H6,bz
{ dT 7fyn
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Wkk(6gS,
} ; |*zgX]-+;
HX| p4-L
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: r]\[G6mE%
JiXE {(
template < typename T > Fng
struct ref -WyB2$!(
{ N@<-R<s^
typedef T & reference; ;2g.X(Ra
} ; sXPva@8_
template < typename T > >ZPu$=[W
struct ref < T &> [Nm?qY
{ 4x+[?fw
typedef T & reference; kkHK~(>G
} ; [vb#W!M&|
y7#+VF`xf
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: k3B_M9>!
OzC%6;6h
template < typename T > 4NaT@68p
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const b}Im>n!
{ &I'J4gk[
return l(t) = r(t); K9&Q@3V
} FPK=Tr:b
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。 VK*H1EH1
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 .tfal9
E x_dqko
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 A~>B?Wijqg
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ?rt[
aK
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 z)*{bz]
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 5GJkvZtFY
最后的布局是: ='kCY}dkO
Add o(54 A['
/ \ n?OMfx
Divide 5 *HV_$^)=
/ \ TK'y- 5W
_1 3 %K\B)HR
似乎一切都解决了?不。 dly -mPmP
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。 G2!<C-T{2
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。 jc:=Pe!E
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: y[jp)&N`
0VJHE~Bgi
template < typename Right > >{Mv+
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const o\it]B
Right & rt) const #H Jlm1d
{ Z&H_+u3j
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); o%lxEd r
} xp3^,x;\X
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 [N[4\W!!
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。 0lq?l:/
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。 Bo
ywgL|
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。 6f#Mi+"
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。 MoiRAO
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? +Gy9K
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: :si&A;k
^o q|^O
template < class Action > L?8OWLjRy
class picker : public Action k{X+Y6'ku
{ G^L9[c= ,
public : S%?>Mh?g
picker( const Action & act) : Action(act) {} &dw=jHt
// all the operator overloaded _M;{}!Gc&A
} ;
ca0vN^Ji
^a3 (QKS
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。 W95q1f#7
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: 7}c[GC)F
%O[1yZh
\
template < typename Right > FoYs<aER
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const v1 ?G
{ Mt{cX,DS
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d= vD Pf
} v=dN$B5y3
q:jv9eL.O
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > @sd{V
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。 Ei<+{P(t0
_m
a;b<I/<
template < typename T > struct picker_maker gLo&~|=L-
{ >U4bK^/Bp
typedef picker < constant_t < T > > result; P$ b5o
} ; fyx Q{J
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > NX;{L#lQ
{ BjjuZN&
typedef picker < T > result; w}07u5
} ; Ut1s~b1
MD4mh2
下面总的结构就有了: ]5ibg"{S
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# tFzbr
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。 nddCp~NX
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 0T$ `;~
至此链式操作完美实现。 \b)P4aL
RJT55Rv{
xTcY&
七. 问题3
#^-'q`)
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。
~xPetkl@
4 #lLC-k
template < typename T1, typename T2 > y^{4}^u-^
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const \j
we
{ 0U.Ld:
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); @JP6F[d
} EjEXev<]
RdpOj >fT
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: NLgeBLB
`q\v~FT
template < typename T1, typename T2 > lY[1P|]
struct result_2 McdK!V
{ ]8cD, NS
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; F?y
C=
} ; rX`fjS*C
ZiH4s|
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? bhZ5-wo4%
这个差事就留给了holder自己。 DAMw(
hSh^A5
/
#fyY37-
template < int Order > cIuCuh0I`
class holder; pFo,@M
template <> $K|2k7
class holder < 1 > `\BBdQ#bH
{ {+9t!'
public : Fk`6
q
template < typename T > :}v:=c k
struct result_1 3`"k1W
{ hGUQdTNP
typedef T & result; }4Gn$'e
} ; R3BK\kf&
template < typename T1, typename T2 > 1_n5:
struct result_2 ) I.uqG
{ -fK_F6_\]
typedef T1 & result; diw5h};W
} ; GL&rT&
template < typename T > fjQIuM
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const kY~yA2*G
{ L{c\7
return (T & )r; TjctK [db@
} KZ [:o,jp>
template < typename T1, typename T2 > >4T7DMy
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const MF::At[4
{ ].gC9@C:$i
return (T1 & )r1; LyNur8 Zi
} vZSwX@0
} ; _p+q)#.W
ljh,%#95=
template <> ?3iN)*Ut
class holder < 2 > 6y@o[=m
{ DsiyN:o'+
public : Yd~Tzh
template < typename T > 0@#d($'1?Z
struct result_1 @y# u!}
{ _x7>d:C
typedef T & result; _ 1\H{x
} ; qJj5_
template < typename T1, typename T2 > LkXF~
struct result_2 ??P>HVx
{ +$GP(Uu,
typedef T2 & result; %vrUk;<35
} ; maQOU1
template < typename T > 8 A #\V
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 072`i46
{ !AL?bW
return (T & )r; _3_o/I
} sJLJVSv8c
template < typename T1, typename T2 > <UJ5n) }"\
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const gf|&u4D
{ 3],[6%w
return (T2 & )r2; {E>(%vD
} ;cWFh4_
} ; p:|p?
rAQ3x0
}j#c#''i
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 qI gb;=V
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: UrB{jS?
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 5CM]-qbf@
t*!Q9GC_
return l(i, j) = r(i, j); &eX^ll
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) }Q>??~mVl
3ry0.
return ( int & )i; [UaM}-eR
return ( int & )j; mINir-
最后执行i = j; 9=MxuBl
可见,参数被正确的选择了。 e5cvmUF_W
/=:X,^"P
c<g{&YJ
j}DG +M
p4wXsOQ}
八. 中期总结 5A"OL6ty
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事:
-B#>Jn#F
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 & Pzr)W(
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 '[Ch8Yf\
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor E.rfS$<1
ob>2SU[Y
&1Idv}@!
>PiEu->P,
Tk0Senq,
r}])V[V
九. 简化 Z6r_T
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。 cH\.-5NQ
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 L[ 7Aa"R
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: u+vUv~4A6
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 IqmoWn3
+-*/&|^等 Y[ toN9,
2. 返回引用。 UPJ3YpK
=,各种复合赋值等 3+$~l5LY
3. 返回固定类型。 5i1Xumh 4
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ZZ{:f+=?$
4. 原样返回。 }Z}4_/E
operator, |B.tBt^
5. 返回解引用的类型。 '>5W`lZ
operator*(单目) $[8GFv
6. 返回地址。 @phb5
operator&(单目) >`c-Fqk
7. 下表访问返回类型。 V@Fj!/
operator[] 2AI~Jm#
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 M2e_)f:
operator<<和operator>> ;?0k>
%,G0)t
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 }zu?SZH
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 72 >/@
^iaG>rvA
template < typename Left > VKp4FiI6
struct value_return G4eY}3F7,4
{ &'-ze,k}
template < typename T > t#6@~49
struct result_1 D^9r#&
{ Y5Jrkr)k
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; -*Z;EA-
} ; =E''$b?Em
juQQ
template < typename T1, typename T2 > c:MP^PWc
struct result_2 Fv"jKZPgzz
{ wqLY
\
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 8n^v,s >
} ; w{;esU
} ; nv^nq]4'Dq
yb:Xjg7
{
'Db
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait qXJBLIG
&}G2;O}3
下面我们来剥离functor中的operator() )a%kAUNj
首先operator里面的代码全是下面的形式: 2pEr
s|r
Bdd>r#]
return l(t) op r(t) }&OgI