一. 什么是Lambda NL"w#kTc()
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 7#g<fh
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, ;|CG9|p
><)fK5x
0B5d $0
z9zo5Xc=
class filler M
!rw!,g
{ m&Y?]nbq
public : G;AV~1i:~
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} W6yz/{Rf
} ; 9:Z|Z?>?
t3.I ` Z
MV?sr[V-oP
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: 1[".
z{V3*
^coj ETOv
GS!1K(7
\j vS`+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); p"NuR4
[\"<=lb`
\H/}|^+@
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ,Q8h#0z r
;;zd/n2b
95-%>?4
w"h'rw
二. 战前分析 ]Ai!G7s8P
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。 ]8XIw`:f
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 G*^4CJ
4"V6k4i5
&. "ltB
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); {
*Wc`ZBY
/* --------------------------------------------- */ `b[@GGv
vector < int *> vp( 10 ); 8t&'Yk
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); G#z9=NF~V
/* --------------------------------------------- */ +PHuQ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ; DI"9
/* --------------------------------------------- */ ?Q}3X-xy
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); !9=Y(rb
/* --------------------------------------------- */ Qkg([q4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); N_y#Y{c{(
/* --------------------------------------------- */ xh!aB6m8R
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); lJBZ0
9B1bq #
i8(n(
Y/34~lhyl
看了之后,我们可以思考一些问题: Z-z(SKL
1._1, _2是什么? 78u=J z6
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。 X\]Dx./
2._1 = 1是在做什么? {Gr"oO`&"
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。 \&%y4=y<sE
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。 FGRG?d4?h
o(Ro/U(Wu
vjXCArS
三. 动工 F}_Zh9/$(
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Kl+4A}Uo
hUMFfc?
e\i}@]
'lR f
template < typename T > l`RFi)u~&
class assignment }{
"RgT-qG
{ o|c"W}W
T value; *Ja,3Qq
public : O6r.q&U
assignment( const T & v) : value(v) {} ou'|e "tI
template < typename T2 > |0aGX]Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ` oXL
} ; I KDh)Zm
rZ7)sE5L
Zl`sY5{1
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 "0l7%@z*)q
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment m3iB`
>{kPa|
W/I D8+:i
v_ W03\
class holder Kkz2N
{ } T<oLvS
public : AA0zt N
template < typename T > ]$96#}7N
assignment < T > operator = ( const T & t) const $ *^E
{ ;X2 (G
return assignment < T > (t); wPU<jAQyp
} ^5![tTJ
} ; f Tc,"{
zE<G wVI~
Zr@G
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: auT$-Ki8
t#[u
X?
static holder _1; jo8;S?+<|?
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Z
]WA-Q6n
)|zna{g\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); -a$7b;gF
而不用手动写一个函数对象。 d[.JEgU
ewcgg
(">gLr
13T0"}
四. 问题分析 )z#M_[zC>
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 \V,;F!*#G
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 iy_\1jB0
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 QWBQ0#L
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 \LS+.bp%
下面我们可以对这几个问题进行分析。 |.Pl[y
MO$dim>
五. 问题1:一致性 /RmHG
H!
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?| 1$Pn;jg:
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 kDG'5X;+
W<D(M.61A
struct holder ;|LS$O1c
{ 5CsJghTw
// 6uijxia
template < typename T > ep<2u
x
T & operator ()( const T & r) const ZSTpA,+6
{ k&1~yW
return (T & )r; QAy9RQ0
} RZ[r XV5
} ; d6.9]V?
FT*
o;&_QS
这样的话assignment也必须相应改动: %8V/QimHU
GBZx@B[TY
template < typename Left, typename Right > WM}bM]oe
class assignment \8!&XcA
{ /N
^%=G#
Left l; $W8
Right r; ;Db89Nc$
public : P~0d'Oi
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 4565U
template < typename T2 > |^ml|cb
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } <oSk!6*
} ; e.0vh?{\
<bf^'$l
同时,holder的operator=也需要改动: BV&}(9z
kl| KFdA;
template < typename T > 3
SQ_9{
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const qb
^4G
{ T!hU37g h?
return assignment < holder, T > ( * this , t); )^^r\
} *Df|D/,WE
&Sc}3UI/F
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。 I@ch 5vl4
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ~`{HWmah
{nbD5 ?
return l(rhs) = r; AO'B p5:Q
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。 %&^F.JTt\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: C/[2?[
-[a0\H
template < typename Tp > (0"9562
class constant_t AdB5D_ Ir
{ Ah &D5,3
const Tp t; $Tq-<FbM)
public : yi7-[W}
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} F5J=+Q%8[&
template < typename T > ^G#=>&,
const Tp & operator ()( const T & r) const >U9!KB
{ r}QW!^F
return t; a7q-*%+d5
} Xig+[2zS
} ; tGD$cBE
Xt8;Pl
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 FQ?H%UcW
下面就可以修改holder的operator=了 5gV8=Ml"V
,_Fq*6
template < typename T > ^#S
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 5D]%E?ag
{ "F|OJ@M
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); eF}Q8]da
} %I%F
!M
T |'Ur#
同时也要修改assignment的operator() d+ih]?
?i(Tc!
template < typename T2 > u3 ?+Hu|*T
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ygUvO3Z
现在代码看起来就很一致了。 S,3e|-&$
,vW.vq<{q3
六. 问题2:链式操作 akBR"y:~:H
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ,h5.Si>
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。 _QBd3B%
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。 ss,t[`AV{
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。 YT,1E>rd
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Fm,A<+l@u
+tkd($//
template < typename T > ERGDo=j
struct result_1 R.|fc5_"+
{ %nOBs ln
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Ps<)?q6(
} ; Y: KB"H
x7Ly,
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: ;b
cy(Fp,\
U`<EpO{j|
template < typename T > u/y`M]17
struct ref U`:#+8h-}
{ i3;Z:,A4NN
typedef T & reference; W3*WR,z
} ; V[+ Pb]
template < typename T > Cl<`uW3
struct ref < T &> PM=I
{ p5)A"p8"9,
typedef T & reference; xfO!v>
} ; !pw%l4]/t
S][:b
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ]ueq&|
z ;y22
template < typename T > N;-+)=M,rf
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const e
d4T_O;
{ 8dIgw
return l(t) = r(t); A>7'W\R
} lJKhP
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。 XuR!9x^5
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 B{s[SZ
rI;e!EW
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 $3Wl~
G}
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: tPC8/ntP8
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 \^N9Q9{7]
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 VC>KW{&J0
最后的布局是: ((EN&X,v
Add <diI*H<G
/ \ _jU6[y|XLh
Divide 5 4y
582u6^
/ \ L\y,7@1%AT
_1 3 /d'^XYOC
似乎一切都解决了?不。 _u{D #mmO
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 @YpA'cX7
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 h5Qxa$Oq
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: K{M_ 4'\
e
*;"$7o9
template < typename Right > g"#R>&P
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const vhWj_\m
Right & rt) const tEiN(KA!5
{ (X>r_4W$
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _i}6zxqw
} bhe|q`1,E
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 )_xM)mH
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。 Sm+Ek@Ax
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。 YfxZ<
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。
Q9%N>h9
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。 q G=`'%,m
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? ;\Wg>sq
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: ^Y #?@
/Pg66H#RUf
template < class Action > ;K$E;ZhPN
class picker : public Action X5>p~;[9
{ J"6_H =s
public : "5Kx]y8
picker( const Action & act) : Action(act) {} a&XURyp
// all the operator overloaded ub,Sj{Mq"
} ; >K50 h
oh& PQ{
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。 )
I-8.
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: ?1OS%RBF
)2bPu[U
template < typename Right > (]mN09uE
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const dxMz!
{ k*z)AR
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9-bDgzk
} KS(s<ip|
*QAK9mc
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > pw- C=MY]
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。 p@r~L(>+3
"'6KQnpZ
template < typename T > struct picker_maker s|EP/=9i
{ xQaN\):^8
typedef picker < constant_t < T > > result; (F$q|qZ%
} ;
[[[p@d/Y
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > \n:' >:0X!
{ <5C3c&sds
typedef picker < T > result; WnUYZ_+e!
} ; (hd2&mSy
'H*S-d6V
下面总的结构就有了: q\mVZyj
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。 AbLOq@lrK
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。 Du[$6
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 \'E%ue_<9
至此链式操作完美实现。 ~poy`h'
5&+
qX
2b
x\x>_1oP
七. 问题3 zy+|)^E
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。 nuKjp Ap!
FS1<f:
template < typename T1, typename T2 > Bv!j.$0d{
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const }@a_x,O/x}
{ m./lrz
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); hQ8/-#LO_
} MH!'g7iK8
A9$q;8= <
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: gZ/M0px
>,32~C
template < typename T1, typename T2 > x*bM C&Ea
struct result_2 m:Z=: -x
{ }2V|B4
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 6^UeEmjc
} ; b/5;377_
[y=k}W}z
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? <\2,7K{{+;
这个差事就留给了holder自己。 X^fMt]
S37Bl5W
(K^9$w]tf
template < int Order > -4;{QB?
class holder; {gK
i15t
template <> ,j9}VnW)
class holder < 1 > !t~S.`vF
{ />K$_T/]
public : ]rC6fNhQ
template < typename T > LnrR#fF]Z
struct result_1 & UL(r
{ im4V6 f;%
typedef T & result; GfL}f9
} ; _%z)Y=Q
template < typename T1, typename T2 > f>-OwL($P
struct result_2 QZt/Rm>W0
{ /Q})%j1S0
typedef T1 & result; 1th|n
} ; m0XK?;\V
template < typename T > KzI$GU3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const &Q(Q/]U~
{
IkL|bV3E0
return (T & )r; tezsoR!.ak
} 7PHvsd"]p
template < typename T1, typename T2 > VO#]IXaP
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const YDC[s ^d5
{ li%=<?%T
return (T1 & )r1; {$oZR"MP
} L?4c8!Q
} ; IEjKI"
P0k|33;7L
template <> {cq; SH
class holder < 2 > =ni&*&
{ s)]i0+!
public : FzA_-d/_dg
template < typename T > E/Eny5
struct result_1 W446;)?5
{ :7@"EW
typedef T & result; Yg<o 9x$
} ; Euk#C;uBg
template < typename T1, typename T2 > k "'q
struct result_2 )=[K$>0k
{ bx!Sy0PUJ
typedef T2 & result; ZQsE07
} ; 6V*@
{
template < typename T > ^['% wA%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 573wK~9oMh
{ K3!|k(jt
return (T & )r; no)Spo'
} V-O 49
template < typename T1, typename T2 > O]4!U#A
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 3Ey#?
{ mQ('X~l
return (T2 & )r2; m/cbRuPWgP
} 8 y/YX
} ; *8kg6v%
=_D82`p
!M)!
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 q !EJs:AS
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: }8fxCW*|
首先 assignment::operator(int, int)被调用: MDGcK/$')f
i ao/l
return l(i, j) = r(i, j); "n7rbh3VW
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) E)09M%fe
n<"?+bz"<
return ( int & )i; x,5$VLs\+
return ( int & )j; ?G*XZ0u~
最后执行i = j; V`pTl3
可见,参数被正确的选择了。 1LJ
?Ka[_*
~ifq_Ag.
+T"kx\<
U@ALo
d[kb]lC
八. 中期总结 1AjsAi,7;2
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: |pqLwnOu
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 NQ'^z
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 tURIDj%#p
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor G|4 vnIS
0{BPT>'
Y)hLu:P]
e,Gv~ae9
_B8e1an
pyT+ba#
九. 简化 -=Q_E^'
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 awHfd5nRS
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 -,TBUWg
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: 83412@&
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。
+h9UV
+-*/&|^等 hIXGfvUy
2. 返回引用。 2GqPS
=,各种复合赋值等 J.$<Lnt>u
3. 返回固定类型。 9x;/q7
各种逻辑/比较操作符(返回bool) zv@'x
nY]
4. 原样返回。 xp)#a_}
operator, (e=ksah3>
5. 返回解引用的类型。 dsR{
P,!
operator*(单目) { )'D<:T
6. 返回地址。 ![7v_l\Q
operator&(单目) \S=!la_T@m
7. 下表访问返回类型。 ~H@':Mms.h
operator[] Rb#Z'1D'G
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 yx{Ac|<mR
operator<<和operator>> 6N~ jt
Kp~k!6x
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。 :54|Z5h|
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ;FMK>%Zq
rHT8a^MO
template < typename Left > +A~lPXAXW
struct value_return $#]?\psf
{ Pu/0<