一. 什么是Lambda r3x;lICx-
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 TNh&g.
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, W'9{2h6u(
TAh'u|{u2
H,c1&hb/w
*-*V>ntvT$
class filler nZ=[6?
{ >3g`6d
public : hAUP#y@:H:
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} W\j'8^kI9
} ; I wj[ ^
L[44D6Vg
E[t[R<v,P!
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: .feB
VRg
;m]
n l_vg
W2h*t"5W
78]*Jx>L
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); a9&[Qv5-/
\roJf&O }
pGU.+[|(
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 UQkd$w<
r1q'+i
=~D[M)UO|
A ___|
#R
二. 战前分析 Ma\%uEgTD
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。 m^BXLG:b
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 5vD\?,f E
h)sT37
'r=2f6G>cP
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); W 8`6O2
/* --------------------------------------------- */ 6{d?3Jk
vector < int *> vp( 10 ); >4bw4
Z1
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); X`<z5W] !
/* --------------------------------------------- */ [pms>TQ2
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); s8A"x`5(
/* --------------------------------------------- */ ^%%Rf
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); "&XhMw4
/* --------------------------------------------- */ Gfx!.[Y
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); V* JqC
/* --------------------------------------------- */ #5y+gdN
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 8=bn
TJf
P;(@"gD8z5
O_s/BoB@
%gn@B2z
看了之后,我们可以思考一些问题: Xqe Qj}2kA
1._1, _2是什么? Y\<w|LkD8
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。 U5ph4G
2._1 = 1是在做什么? VQf^ y q
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。 Uth+4Aq
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。 $C=XSuPNK
>~7XBb08
3;b)pQ~6CJ
三. 动工 C &@'oLr
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: {88|J'*L
D',7 T=C
yS
K81`
C3.]dsv:
template < typename T > ]?}pJ28
class assignment +(`D'5EB(
{ s`Z.H5V>\
T value; G$_)X%Vb I
public : {8":cn
j
assignment( const T & v) : value(v) {} .mwW`D
template < typename T2 > w&#[g9G%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; }
d8 ~%(I9
} ; r9-ayp#pC
$EIKi'!8
N:'GNMu
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 AzzHpfv,
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment dj5|t~&
L\#G#1x8
{c
I~Nf?i
H!FaI(YZl
class holder V*?QZ;hCP
{ Mx0~^l
public : \ eba9i^
template < typename T > vnf2Z,f%
assignment < T > operator = ( const T & t) const w"D1mI!L
7
{ [[w-~hHH -
return assignment < T > (t); Ymnh%wS
} Qru&lAYc<
} ; 3XUVUd~
Xsn M}
sJQ~:p0e
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: UZ<.R"aK
C_;nlG6
static holder _1; <7T}b95
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ;9#W#/B
v}5YUM0H `
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); m' j1
而不用手动写一个函数对象。 g"!cO^GkT
}/tf^@
2>.b~q@
mo
tW7|p.e
四. 问题分析 IEM{?
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 "7fEL:|j
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 3KeY4b!h
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ,. ht ~AE
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Z9h4 pd
下面我们可以对这几个问题进行分析。 X16O9qsh
zZ Y1E@~
五. 问题1:一致性 s7jNRY V
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| fhdqes])
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 rT-.'aQ2t
t0xE
struct holder W}7Uh
b
{ 6o]{< T/'
// ',|OoxhbK
template < typename T > Ma{@b$>
T & operator ()( const T & r) const ETH
($$M
{ y_Gs_xg
return (T & )r; 2S:B%cj9m
} m'G=WO*%
} ; mJ[_q>
@az<D7j2
这样的话assignment也必须相应改动: $6ucz'
oFt_ yU-
template < typename Left, typename Right > h1B_*L
class assignment xe.f]a
{ 1NTx?JJfW
Left l; rHybP6C<
Right r; l7<VH z0b
public : AU}|o0Ur
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 2A*,9S|Y
template < typename T2 > KqBiF]Q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } -W/D Cj<
} ; 3*{l^<`:gA
#;1RStb:zj
同时,holder的operator=也需要改动: <JXHg,Q
&{# 6Z
template < typename T > 5yJ~ q
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const J?E!\V&U
{ ^%6f%]_
return assignment < holder, T > ( * this , t); QYj 4D
} sVnq|[ /
W<O/LHKHdn
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 <Vh5`-J
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 <Nloh+n=
vy7?]}MvV
return l(rhs) = r; wsR\qq
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 -4L27C
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: G7GKO
KB^GC5L>
template < typename Tp > {~#01p5
class constant_t )Fqtb;W=
{ x a\~(B.
const Tp t; 39~WP$GM
public : &P*r66
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Dl\0xcE
template < typename T > -EU=R_yg
const Tp & operator ()( const T & r) const )\W}&9 >
{ 6Y.k<oem
return t; LF(S"Of
} ,#^2t_c/
} ; /L]@k`.q@
.345%j
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 $j!:ET'V
下面就可以修改holder的operator=了 =:TQ_>$Nc2
<h~uGBS"
template < typename T > Q/HEWk
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !af;5F
{ {)kL7>u]^V
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); wXYT(R
} !WB3%E,I
>*|Eyv_
同时也要修改assignment的operator() . 7Pp'-hK
DU5rB\!.~
template < typename T2 > ^|!\IzDp
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } qM>Dt
现在代码看起来就很一致了。 AXo)(\
@P=n{-pIW
六. 问题2:链式操作 6@d/k.3p
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Y'}c$*OkI
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 :4\_upRE
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 h7xgLe@
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 ,&@FToR
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct SM<qb0
;ae6h
[
template < typename T > Kr4%D*
struct result_1 daf-B-
{ -O@/S9]S)
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 6hFs{P7
} ; "`pg+t&
zR=g<e1xe
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: bDegIW/'w
6Tq2WZ}<'
template < typename T > Pi%-bD/w
struct ref V Kc`mE
{ O=u.J8S2
typedef T & reference; :19s=0
} ; An
BM*5G
template < typename T > [H2su|rBI`
struct ref < T &> #m'+1 s L
{ \ov]Rn
typedef T & reference; SS;'g4h\6
} ; +~;#!I@Di
!_&;#j](
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 1@+&6UC
mm
|*
template < typename T > ])zpx-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ]go.IfH
{ nF
'U*
return l(t) = r(t); :mdoGb$dr
} u^L_X A
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。 b#S-u }1PE
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 YIl,8!
z~
&';@CeK
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 Ds8x9v)^
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: %VrMlG4hx
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 2T"[$iH!7
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 XpT})AV
最后的布局是: a7]Z_Gk
Add hg `N`O
/ \ ,nw5 M.D_
Divide 5 )VG_Y9;Xk:
/ \ H
.sfM
_1 3 hSk
似乎一切都解决了?不。 od3b,Q
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 pTYV@5|
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Q0""wRq'
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: Mi[,-8Sk
^687U,+
template < typename Right > T
zHR
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const [} %=&B
Right & rt) const 8KzH
-
{ _<)HFg6
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); =?hbi]
} H|cxy?iJ
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 1a#R7chl
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 ve*6WDK,H
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 )U2%kmt
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 Z1DF )
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 &Qv%~dvW
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? sDy~<$l?
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: cdfnM% `>\
SsIN@
template < class Action > mZ#IP
class picker : public Action 2u}ns8wn
{ xQzXl
public : .zdmUS:
picker( const Action & act) : Action(act) {} wV{VV?h}
// all the operator overloaded Wp=&nh
} ; XP@&I[J3sI
.@Jos^rxgJ
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。 Dr#V^"Dte
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: < 'r<MA<
h)?Km{u%
template < typename Right > j1dz'G}hj
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const yL3F
{ oeG?2!Zh
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); p,2H8I){
} 9/5EyV
m^a0JR}u9
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > TfA;4^
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。 &_Gu'A({J
#U/L8
template < typename T > struct picker_maker aDX4}`u
{ Qlhm:[
typedef picker < constant_t < T > > result; <kWNx.eci
} ; R!_1 *H$
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 1++ Fs
{ atfK?VK#
typedef picker < T > result; O}[){*GG=
} ; _jk+$`[9PL
+L}R|ihkI
下面总的结构就有了: G#z9=NF~V
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 hhr>nuA
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 Um
I,?p
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ; DI"9
至此链式操作完美实现。 g_MxG!+(V
2}#VB;B
-"n8Wv
七. 问题3 yTU'voE.|
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 SQf.R%cg$
a~`,zQ -@
template < typename T1, typename T2 > %A;s3]V
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ?B:],aztf
{ 4yR X{Bl|
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8)&J oPN
} !Y]%U @4}
._}Dqg$
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: M0uC0\'#P
~RnBs`&!
template < typename T1, typename T2 > qnU$Pd
struct result_2 vXcgl
{ 1?#Wg>7'
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; X\]Dx./
} ; qk\LfRbj
ig:z[k?
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? -<gQ>`(0
这个差事就留给了holder自己。 x!9bvQT
ut9R]01:
ZvW&%*k=
template < int Order > O9MBQNwjA
class holder; (I(k$g[>
template <> Y@V6/D} 1
class holder < 1 > C~VyM1inD
{ 4fdO Ow
public : wHhIa3_v
template < typename T > DBzF\-
struct result_1 ZZ F\;
{ 0Ewt
>~n
typedef T & result; [r=U-
} ; ZUeA&&{
template < typename T1, typename T2 > h>jp.%oOu
struct result_2 F5f1j]c
{ +8V|
typedef T1 & result; #Xd#Ncj
} ; =`BPGfCb
template < typename T > Ix|^c268o<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 8*yky
{ tsqWnz=)
return (T & )r; R{Qvpd$y
} ogKd}qTov
template < typename T1, typename T2 > WevXQ-eKm
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const %Z6\W;
(n
{ Zl`sY5{1
return (T1 & )r1; N`i`[ f
} Q##L|*Qy
} ; 55|.MXzq
7!E7XP6,~>
template <> E 5bo60z
class holder < 2 >
`_H^k!^
{ v_ W03\
public : Y@M
l}43
template < typename T > rlVo}kc7:
struct result_1 } T<oLvS
{ pNR69/wGi
typedef T & result; 1`8(O >5
} ; oq }Q2[.b
template < typename T1, typename T2 > vH9Gf
struct result_2 t>>\U X
{ +S>}<OE
typedef T2 & result; yzmwNsu
} ; wPU<jAQyp
template < typename T > <S%kwS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const @IwVR
{ H>2f M^
return (T & )r; 7Ke#sW.HN
} Ty>g:#bogI
template < typename T1, typename T2 > V{G9E
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const vdN0YCXG
{ 66~]7w
return (T2 & )r2; Dhe ]f#d
} -, #LTW<.
} ; z;EnAy {9
l<mEGKB#
k@= LR
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> >。 P(BV J_n
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: :,(ZMx\
首先 assignment::operator(int, int)被调用: d[.JEgU
(KxL*gB
return l(i, j) = r(i, j); 0Ku%9wh-
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) HR83{B21
ePJtdKN:
return ( int & )i; %? WmWs0
return ( int & )j; ~h*p A8^L
最后执行i = j; xiPP&$mg
可见,参数被正确的选择了。 `L=$,7`
+~A<&7[}
#%i-{t+_>
b,#E.%SLw
N~An}QX|
八. 中期总结 8QGj:3
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: |.Pl[y
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 'qg q8
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 mjqVP.
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor /RmHG
H!
_}B:SM
R?Or=W)i
~:%rg H
|cBpX+D
*AU"FI>V
九. 简化 -cHX3UAEI
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。 $yx34=
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 sR. ecs+
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: IFY,j8~q
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 pMX#!wb
+-*/&|^等 z<F.0~)jb
2. 返回引用。 AQ 5CrYb
=,各种复合赋值等 lAwOp
3. 返回固定类型。 e[@q{.
各种逻辑/比较操作符(返回bool) QAy9RQ0
4. 原样返回。 KD~F5aS`[
operator, NX(.Lw}
5. 返回解引用的类型。 '?~k`zK
operator*(单目) ?DC3BA\)
6. 返回地址。 [T.BK:
operator&(单目) .baS
mfc
7. 下表访问返回类型。 i%~4 >k
operator[] :>[;XT<
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 O$%C(n(
operator<<和operator>> x6ig,N~AO
\8!&XcA
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 [lC*|4t&
例如针对第一条,我们实现一个policy类: "=W7=V8w
9J?G"JV?
template < typename Left > ntSPHK|'
struct value_return F=hfbCF5x
{ uj-q@IKe
template < typename T > -hP@L ++D
struct result_1 khb
Gyg%
{ %L./U$
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ?~aM<rcZ
} ; jz$)*Kdi*
-< 7KW0CA
template < typename T1, typename T2 > OZ q/'*
struct result_2 &0
VM <
{ {=,?]Z+
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; rY>{L6d
} ; QH%{r4
} ; m//(1hWv7
5}R/C{fs
BcT|TX+ct
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 1Ly?XNS
)G6]r$M>o0
下面我们来剥离functor中的operator() qfY.X&]PU
首先operator里面的代码全是下面的形式: [JGa3e
*Df|D/,WE
return l(t) op r(t) Y1
i!
return l(t1, t2) op r(t1, t2) nFlj`k<]Y
return op l(t) d&