一. 什么是Lambda f_QZql
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Az(J @
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, "fd'~e$S#
s!
sG)AR.J
u$x'P <b
Mgu=cm)
class filler @#5?tk0
{ FWyfFCK
public : 0:>C v<N
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} };8PPR)\y
} ; #w)D ml
8PW3x-+
e= _7Q.cn
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: _We4%
%0eVm
brt`oR
TbhsOf!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); "NO*(<C.R
C;rK16cn
>zcp(M98
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Cv1CRmqq%
(k5d.E]CK
m9f[nT
1BA5|
二. 战前分析 o7s<G8;?
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。 \>|:URnD
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 =doOt 7Rj
si>gYO
]A dL
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); W q>qso
/* --------------------------------------------- */ 1FmqNf:V7I
vector < int *> vp( 10 ); H}&4#CQ'!
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); l(
0:CM
/* --------------------------------------------- */ G_n~1?
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 6I$:mHEhd
/* --------------------------------------------- */ 5_Opx=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); &Kc'g H
/* --------------------------------------------- */ fIg~[VN"
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); !3Me
6&$O
/* --------------------------------------------- */ a$P$Ngi?S
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &IgH]?t
[i)G:8U
?o6\>[O
?>o|H-R~5Z
看了之后,我们可以思考一些问题: joJ:*oL
1._1, _2是什么? Wc-8j2M
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。 y@Q?
guB
2._1 = 1是在做什么? j*}2AI
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。 /A~+32B
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。 Di8;Tq
@Tg +Kt
8|iMD1
三. 动工 p?zh4:\F+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: uA2-&smw
f.y~ Sew
esVZ2_eL
;0`p"T0
template < typename T > Um'r6ty
class assignment ngHPOI16
{ .JkF{&=B
T value; !%{s[eO\
public : hPHrq{YZ
assignment( const T & v) : value(v) {} edy6WzxBcm
template < typename T2 > ;Jrk#7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ep3iI77/
} ; XUyoZl?
.wfN.Z
';z5]O~
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 /o_h'l|PS
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment uJ! yM;{+
*jF VYg
8>|@O<2\
mTW@E#)n
class holder $iblLZhj
{ !7K-Kqn
public : tyLR_@i%%
template < typename T > S-Y(Vn4
assignment < T > operator = ( const T & t) const ^:RDu q
{ Q4;br?2H
return assignment < T > (t); KrFV4J[
} E+&]96*Lby
} ; ",ic"
~
o\luE{H
.?
d.7Xvx0Yww
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: ,K'}<dm|x
sKX%<n$
static holder _1; z^f-MgWG
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 e< Ee2pGX
w^*jhvV%kW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); fuH Dif,
而不用手动写一个函数对象。 .~5cNu'#m
?nFT51t/4
uREc9z`Q'
Kg@9kJB
四. 问题分析 ubhem(p#
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。 %;9eh'
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。 zYOPE 6E
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 jkNZv. )p
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 $Mx.8FC +
下面我们可以对这几个问题进行分析。 lb1(1|#
U
gB
五. 问题1:一致性 yh5KN_W
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?| 9GZF39w u
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 /]xd[^
YA^9, q6u?
struct holder :B- ,*@EU
{ j)F~C8*
// Ro:-u7q
template < typename T > XB;;OP12
T & operator ()( const T & r) const l}AB):<Z
{ Gz *U?R-T
return (T & )r; kd\G>
} 6}ax~wYct
} ; R`<E3J\*
bIhL!Ty T.
这样的话assignment也必须相应改动: =Vv{ td
1GNAx\(
template < typename Left, typename Right > #nd,c n
class assignment k{#:O=
{ xSf3Ir(,
Left l; }qg!Um0
Right r; 5Tu.2.)N
public : $pKS['J0
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 'F~u \m=E
template < typename T2 > 7D^A:f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Psv!`K
} ; +1y#=iM{
I@B7uFj
同时,holder的operator=也需要改动: OwEz(pj@
Zry>s0
template < typename T > :s5g6TR
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const s6$3[9Vh&9
{ Dn[1BWM/7
return assignment < holder, T > ( * this , t); f.= E. %
} :U9R
1^}A
UdGoPzN
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 (gZ!o_
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 g U?)
2
zy^(%a
return l(rhs) = r; 5c"kLq6r
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 qj1z>,\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ]VvJ1Xn0
d}ZHY[
template < typename Tp > +6=!ve}
class constant_t (yP55PC
O$
{ ?@1'WD t
const Tp t; AV p[gr
public : G
DV-wPX
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} |$PLZ,
template < typename T > AJT0)FCpR
const Tp & operator ()( const T & r) const 0U>Q<I}
{ e@OA>
return t; R*X2Z{n
} V5B-S.i@
} ; Nj0)/)<r+
D@^ZpN8r
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 MbfzGYA2~
下面就可以修改holder的operator=了 ?_aR-[XRg
F-^HN%
template < typename T > >Mw &Tw}o
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const `?JgHk
{ "ILWIzf.]
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); au|^V^m
} K;[%S
f_ztnRw
同时也要修改assignment的operator() hyiMOa
pFTlhj)1
template < typename T2 > S |>$0P4W(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } U@MP&sdL
现在代码看起来就很一致了。 mE`qvavP|/
R9h>I3F=c
六. 问题2:链式操作 z,FTsR$x
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -fJ@R1]
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。 QO{=Wi-
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。 ttaQlEa=Z
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。 _i[)$EgFm
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct k0_$M{@Y
IzdTXc
f
template < typename T > 1/ pA/UVO
struct result_1 t-i6 FS-
{ hNnX-^J<o
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; P5>5ps"iU
} ; ]A72)1
ZQ~myqx,+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: Y#&0x_Z
1N9<d,
template < typename T > j-YJ."
struct ref B>Cs&}Y!
{ "6N~2q,SW
typedef T & reference; K-
I\P6R`
} ; ) wY!/&
template < typename T > dA1
C)gLi
struct ref < T &> &.Latx
{ qX{X4b$
typedef T & reference; (+UmUx=
} ; 8b 8\
wfDp,T3w7
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: jefNiEE[
C~{NKMeC/m
template < typename T > I{42'9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const M_h8#7 {G
{ kqD*TJA
return l(t) = r(t); [O7w =
} =!(*5\IM
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。 {jOzap|
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 *#lBQBH|.
d$fvg8^
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 WVS$O99Y
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 0{?:FQ#
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 n .f4z<
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 1mHwYT+
最后的布局是: W?qpnPW
Add #)^^_
/ \ @s%X
Divide 5 4l lD6&%
/ \ 2J;kD2"!
_1 3 t_dcV%=
似乎一切都解决了?不。 !1a}| !Zn
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。 EXA^!/)
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。 }m6f^fs}
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: tT;8r8@
{7vgHutp
template < typename Right > 8r,9OM
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const D =$4/D:;
Right & rt) const {!L=u/qs"
{ cZqfz
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); R]Hz8 _X
} lM>.@:
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 $=/rGpAk
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 <mL%P`Jj
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 '=VH6@vZ_'
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Us'Cs+5XcG
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 ".gNeY6)x
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? sa*g
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: alFNSRY
lr,q{;
template < class Action > 42&v% ;R
class picker : public Action 0Z"s_r}h
{ ?=<~^Lk
public : /jM_mrpz
picker( const Action & act) : Action(act) {} Xh?4mKgu
// all the operator overloaded C8ZL*9U
} ; 30s; }
k)cP! %z
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 fN@{y+6
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: >%u@R3PH]
=_l)gx+Y+y
template < typename Right > |#k@U6`SG
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const zEj#arSE4
{ M%I@<~wl
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4ZwKpQ6
} /N6}*0Ru
`rlk|&T1
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `<U5z$^QTw
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。 S(
x:fW~!Xc6
template < typename T > struct picker_maker a7#?h%wf
{ Od##U6e`
typedef picker < constant_t < T > > result; XRxj W
} ; 19W:-Om
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > BRzfic:e
{ ?T!)X)A#
typedef picker < T > result; F'FP0t!S
} ; * ?]~
#
wMWW=$h#\
下面总的结构就有了: =n+ \\D
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 mV)+qXC
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 , jU5|2
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 T^:fn-S}=
至此链式操作完美实现。 sOpep
jQ+sn/ROp
>/=> B7
七. 问题3 !)pdamdA
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 *F`A S>
F(,UA+$A
template < typename T1, typename T2 > )Xtnk
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const +>\id~c(
{ bB}5U@G|
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ~xLJe`"JUx
} r]Lc9dL
t2BL(yB
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: Zd:Taieh@
$O)3q
$|
template < typename T1, typename T2 > /JkC+7H4
struct result_2 \S~Vx!9w
{ \Ae9\Jp8M
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Z\}K{#
} ; *%/~mSx
W ~f(::
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? }g7]?Ee
这个差事就留给了holder自己。 Z|"p*5O,
wV\gj~U;P
<FI-zca
template < int Order > jz58E}
class holder; M-V&X&?j
template <> \;u@ "
class holder < 1 > b` Hz$8
{ a2Pf/D]n
public : fjk\L\1
template < typename T > 10!wqyj&
struct result_1 Sf5X3,Uw
{ evkH05+;W
typedef T & result; ]0hrRA`
} ; ,C%eBna4Iq
template < typename T1, typename T2 > Um#Wu]i
struct result_2 xk&Jl#v
{ w2_bd7Wp<
typedef T1 & result; ?v>ET2wD
} ; r'QnX;99T
template < typename T > pvmC$n^zc
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const UfS%71l.$
{ 3U_2! zF3_
return (T & )r; 3Zi@A4Wu
} 6 G=j6gK%P
template < typename T1, typename T2 > xhcK~5C
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 4:g R r
{ M|:UwqV>
return (T1 & )r1; tHzZ@72B7
} fbUr`~Y"
} ; As>_J=8} 3
E*+{t~
template <> L|p
Z$HB
class holder < 2 > _%QhOY5tv"
{ `r?7oxN
public : ,G)r=$XU
template < typename T > *QH28%^
struct result_1 eH{[C*
{ AvW:<}a,
typedef T & result; RsYU59_Y
} ; b9!FC$^J
template < typename T1, typename T2 > BqT y~{)+
struct result_2 <~WsD)=$
{ x9JD\vZ
typedef T2 & result; ,N)/w1?I
} ; x@[rms
template < typename T > bD?VU<)3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const !_Wi!Vr_
{ ,'u W*kx
return (T & )r; nR-YrR*k
} 7Ve1]) u
template < typename T1, typename T2 > JT!9\i
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 6}!#;@D~
{ Ys\Wj%6A
return (T2 & )r2; 4GX-ma,
} Jt}Bpg!J
} ; z62;cv
eLfk\kk]Pc
sG92XJ
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> >。 *=V~YF:Qb
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 5?]hd*8
首先 assignment::operator(int, int)被调用: \nPEyw,U
$\X[@E S0
return l(i, j) = r(i, j); ,[P{HrHx
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) t.xxSU5~%
hEKf6#
return ( int & )i; 3h$6t7=C
return ( int & )j; \1D<!k\S
最后执行i = j; ^")Q YE
可见,参数被正确的选择了。 Y^$X*U/q%U
@~^5l
,(EO'T[
wn/_}]T
fF7bBE)L/|
八. 中期总结 1g8_Xe4
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: /5(Yy}
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 n"G&ENN"$
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 xhVO3LW'
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor gG<~-8uQ
pwL;A3$|
E8$20Ue
O}-jCW;K
tn(JC%?^
MQ5R O;RY
九. 简化 l;R%= P?'F
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。 6#7Lm) g8
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Wh+{mvu#
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: SUCMb8
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ZSjMH .Ij"
+-*/&|^等 %b&".mN
2. 返回引用。 uwzvb gup?
=,各种复合赋值等 l=S 35og
3. 返回固定类型。 _}lZ,L(w
各种逻辑/比较操作符(返回bool) YVQN&|-
4. 原样返回。 ^Cu\VV
operator, ehzM)uK
5. 返回解引用的类型。 }zkHJxZgE
operator*(单目) dgR
g>)V
6. 返回地址。 t3*wjQ3
operator&(单目) R "n5
7. 下表访问返回类型。 Ixb=L(V
operator[] :o0JY= 5
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Oft-w)cYz,
operator<<和operator>> Y2a5bc P
w~(1%p/
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。 fol,xMc&
例如针对第一条,我们实现一个policy类: )WRLBFi3
>zw.GwN|
template < typename Left > $Z.7zH
struct value_return _-q.Q^
{ iq8GrdL"
template < typename T > }#L^! \V}
struct result_1 ;nep5!s;<
{ uD\?(LM
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; KC/=TSSXd.
} ; kStnb?nk
(61EDKNd9
template < typename T1, typename T2 > .X@FXx&
struct result_2 kh
{p%<r{
{ J2::'Hw*s
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; u?4:H=;>
} ; p2ogn}`
} ; P^A!.}d
wb]%m1H`:
Yk)."r&