一. 什么是Lambda fs%l j_t
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~ YCZvJ
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, K._*
~-A
gqQ"'SRw
QAKA3{-(
Xmaj7*f>p
class filler \tZZn~ex
{ E|hW{ oX3
public : ""u>5f
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} kJG0X%+w
} ; h(3ko
An
D;WQNlTU
\ q=Bbfzv
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: G7d)X^q!xS
KPMId`kf
cuo'V*nWQ
":,J<|Oy
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ok<!/"RX$
a;[=bp
a<mM
)[U
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 \XT~5N6
)0p7d:%mV
dSw%Qv*y
QPT%CW61M
二. 战前分析 :x/L.Bz
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。 n6s[q-td
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 = s$UU15
xO2CgqEb
g|PRk9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); x^P ~+(g
/* --------------------------------------------- */ >'96SE3
vector < int *> vp( 10 ); 0dKi25J
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); xRPUGGv
/* --------------------------------------------- */ ]J>{ZL
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); `u7"s'
/* --------------------------------------------- */ !Au 9C
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); \rY<DxtOq
/* --------------------------------------------- */ K"U[OZC`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); @Zov&01
/* --------------------------------------------- */ -iJ @K
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ,CA3Q.y>|
EwH_k
<\C/;
}qn@8}
看了之后,我们可以思考一些问题: i*-L_!cc:
1._1, _2是什么? 0)T`&u3!
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 Ed=]RR4R
2._1 = 1是在做什么? E{B=%ZNnm
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 |$aTJ9 Iq:
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。 >,s.!vpK
;^Hg\a
&$+nuUA
三. 动工 dyMj=e
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: WyDL ah^/
n%1I}?$fO
i%eq!q
rLzN#Zoi
template < typename T > xD3Y-d9
class assignment '2BE"e
{ ( 17=|s
T value; {Mx3G*hr
public : 8O0E;6b
assignment( const T & v) : value(v) {} -^+!:0';
template < typename T2 > =&
.KKr
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } [$[1|r
*Q
} ; ^jxV
`(@}O?w!1
{3{cU#\QA
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 F1aI4H<(T
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment %qj8*1
X=U >r
[[sfuJD
leSR2os
class holder {D9m>B3"{
{ 7xr@$-U
public : w;Jby
template < typename T > N akSIGm
assignment < T > operator = ( const T & t) const fXJbC+
{ [TFd|ywn
return assignment < T > (t); 7(oX1hN
} ++)3*+N+
} ; S_ Pa .
hwR_<'!
p2Fff4nQ
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: 2Yt+[T*
#ovmX
static holder _1; ExDv7St1(k
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 gN("{j1Q
@ZUrr_|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 );
|q:p^;x
而不用手动写一个函数对象。 sS5: 5i
[%`L sY
F}Kkhs
{
D#I^;Xg0h
四. 问题分析 u6#=<FD/}
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。 1!4-M$-
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。 fI([vI
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ~&
@UH
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 71GyMtX
下面我们可以对这几个问题进行分析。 #-*#? -
^OWA
五. 问题1:一致性 '!wI8f
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?| l#;DO9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 2iJ)K rw
Gec?
struct holder ^[]@dk9
{ ~dFdO7
// d@ ?++z
template < typename T > v.Y?<=E+<d
T & operator ()( const T & r) const ~;#OQ[
{ RMfKM!
vE
return (T & )r; )=vQrMyB
} 'q_^28rK
} ; D%+cf
R
rtr\a
这样的话assignment也必须相应改动: AsOkOS3
5UgxuuP4
template < typename Left, typename Right > 8o SNnT
class assignment ipThwp9
{ ,sqxxq
Left l; #S*`7MvM
Right r; ?"o7x[
public : ]?#E5(V@x
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} % >\v6ea
template < typename T2 > >&z=ktB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } =5v=<, ]
} ; */7+pk(
Tt.#O~2:9
同时,holder的operator=也需要改动: {Hu@|Q\~&
<V~B8C!)
template < typename T > oY K(=j
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ~Gz
b^
{ 8NJxtT~0c~
return assignment < holder, T > ( * this , t); &I|\AG"X}
} 'wg>=|Q5
"^UJC-
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。 FZ0wtS2
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 +p
Y*BP+~i
|*T3TsP u
return l(rhs) = r; ~g|Z6-?4Jj
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。 RiPxz=kr
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: !)1gGXRY
M:9
6QM~
template < typename Tp > {%"n[DLps
class constant_t $q
iY)RE
{ pr) `7VuKp
const Tp t; R'udC}
public : ?m(]@6qa
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} s6k@W T?"^
template < typename T > fK %${
const Tp & operator ()( const T & r) const )#H&lH
{ L^{1dVGWNa
return t; 6Kbc:wlR
} E<~Fi.M;\
} ; X^td`}F/=V
djk?;^8
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Jx jP'8
下面就可以修改holder的operator=了 +~x'1*A_
KqD]GS#(
template < typename T > Oe/&Ryj=mm
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const g"dq;H
{ e}u68|\EC
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); <Pm!#)-g9
} b:M1P&R
Bo#,)%80
同时也要修改assignment的operator() zJ=lNb?q
NR6wNz&81
template < typename T2 > +&*D7A>~p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ILU7Yhk
现在代码看起来就很一致了。 Tx19\\r
n?[JPG2X
六. 问题2:链式操作 <?>1eU%
现在让我们来看看如何处理链式操作。 nc2=S^Fqu
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。 9*&c2jh
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。 /TndB7l"3
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。 [XKudw%
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct aob+_9o
xk:=.Qqh
template < typename T > 'e(]woe
struct result_1 T)Zef
{ '
a>YcOw
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; )-s9CWJv
} ; 'xP&u<(F
$1E'0M`
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: <3)k M&.B
sP'U9l
template < typename T > Sk6B>O <:
struct ref zJ
$&`=
{ '-l.2IUyT
typedef T & reference; 9zL(PkC%\
} ; E
xls_oSp
template < typename T > 7K 'uNPC
struct ref < T &>
=]
+owl2
{ N8E
typedef T & reference; v:1DNR4
} ; 3-PqUJT$
CiNOGSlDj
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 2bnYYQ14:
z%Eok
template < typename T > CK"OHjR
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const tgVMgu
{ .}c&"L;W
return l(t) = r(t); &Yklf?EZ>Q
} i<b-$9
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。 Mgp+#w+,
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 T\wfYuc&X
KbSE=3
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 rHa*WA;TE
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: z@21Z`,
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 L+X:M/)
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 )vsX (/WU
最后的布局是: <0!O'" "J
Add YctWSfh
/ \ SYd6D@^2j
Divide 5 xjy(f~'
/ \ 8-PHW,1@a3
_1 3 ,gdud[&|;
似乎一切都解决了?不。 Ntt*}|:QV<
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。 OfK>-8
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。 idNra#
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: Rz#q68
k.ttrKy<q/
template < typename Right > Q@
Ze+IhK`
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const `oU|U!|
Right & rt) const dLfB){>S
{ KK}ox%j
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); kK|D&Xy`
} 3`TD>6rs
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 )kT.3
Q
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。 {ldt/dl~
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。 bP Q=88*
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。 6E#znRi6IE
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。 dSI<s^n
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? we/sv9v}n
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: cSTF$62E
(6*
template < class Action > yu>o7ie+;Y
class picker : public Action .%EYof
{ NZ"nG<;5
public : r])V6 ^U
picker( const Action & act) : Action(act) {} 82M`sk3.
// all the operator overloaded U0;pl2
} ; VTa%
"WzKJwFr
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 4nrn
Npf`b
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: EO`eg]
w,az{\
template < typename Right > a D+4uGN
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const q5G`q&O5
{ {e5DQ 21.
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); =NmW}x|n
} s1]m^,
G}Ko*:fWS
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ?C`r3
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 *XOLuPL>6)
X;1yQ|su
template < typename T > struct picker_maker 3$_JNF`
{ dmWCNeja.
typedef picker < constant_t < T > > result; T#<Q[h=
} ; @T Ha [|(S
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > %:v<&^oDlm
{ ?>Ngsp>-P
typedef picker < T > result; 2?{'(iay
} ; nTl2F1(sV7
6>]w1
H
下面总的结构就有了: ;0U*N &
f
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。 HbRvU}C1
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。 >6R3KJe
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 r
)HZaq
至此链式操作完美实现。 DL<;qhte
,{; *b
v
guG&3{&\s
七. 问题3 TuEM
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。 WvZt~x&2
Z9.0#Jnu
template < typename T1, typename T2 > :(\JY?+w
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ?N(<w?Gat
{ .1}1e;f-
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); gyb99c,)
} UiVGOQq
d_Jj&:"l
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: Z5p
[*LMO
h*R w^5,c
template < typename T1, typename T2 > {a__/I>)
struct result_2 !TivQB
{ Sn0kJIb
}
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; l5 ]
} ; T%;V_iW-
`{|w*)mD
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? L6ap|u
这个差事就留给了holder自己。 VEp cCK
tY>Zy1hlI
v[2&0&!K#
template < int Order > qX*xQA|ak,
class holder; wTD}c1J(
template <> RRXp9{x`
class holder < 1 > 51u\am'T
{ L9<\vJ
public : ?;_*8Doq-a
template < typename T > 1BEs> Sm
struct result_1 '$c9 S[
{ `yP`5a/
typedef T & result; g60k R7;\
} ; l2kGFgc
template < typename T1, typename T2 > P@keg*5@
struct result_2 h!ogH >S~
{ damG*-7Svx
typedef T1 & result; tS>^x
} ; $_iE^zZaU^
template < typename T > 4&=</ok6`0
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const JEk'2Htx
{ <:Mz2Rg
return (T & )r; aU~?&]
} E%DT;1
template < typename T1, typename T2 >
3%bhW9H%
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const NYr)=&)Ke.
{ d!UxFY@
return (T1 & )r1; co~NXpqg
} 0>8w On
} ; B;?)X&n|X
/y$ Fw9R;
template <> b*.aaOb
class holder < 2 > 6UqAs<c9
{ vJaWHC$q
public : h=0a9vIXF
template < typename T > P%)r4+at
struct result_1 6Iqy"MQuq
{ pr,,E[
typedef T & result; )AxD|A
} ; I/XSW #
template < typename T1, typename T2 > p20JUzy
struct result_2 Scx!h. \5
{ 'Y#'ozSQv
typedef T2 & result; m$_b\^we
} ; J_h.7V
template < typename T > I8YUq
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const &
Wod
{ *g,ls(r\[
return (T & )r; +8C}%6aX
} .}/8]
template < typename T1, typename T2 > }%8ZN :
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const .wD
$Bsm`t
{ `!/[9Y#H p
return (T2 & )r2; L/[VpD
} $3PDe
} ; pa1<=w
5E-;4o;RI(
M2 |!,2
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> >。 H7GI`3o
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ZX` \so,&,
首先 assignment::operator(int, int)被调用: DH
yv^
2t9UJu4
return l(i, j) = r(i, j); $Yt|XT+!&
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 0M"n
W`_JERo
return ( int & )i; 1,%`vlYv
return ( int & )j; F5qA!jZ1]
最后执行i = j; Q{|%kU"
可见,参数被正确的选择了。 P,ueLG=
953qz]Q8
vII{i
U8Zb&6
gns}%\,
八. 中期总结 Rey+3*zUb
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: `z\hQ%1!F
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 _i}b]xfM
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 tkT,M,]?9
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor B`Z3e%g#
0#9H;j<Op
wKLYyetM!
e{@RBYX@+c
J`U]Ux/L
!:!(=(4$P
九. 简化 7h}gIm7e"
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。 >)u;X
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 `P;r[j"
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: }bv+^#
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 PPB/-F]rr
+-*/&|^等 (s,&