一. 什么是Lambda \1=T
sU&^
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 rDpe_varA
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, f?2zLE>u
mcvDxjk,h
X tJswxw`K
^OHZ767v
class filler zXj>K3M
{ dj?G.-
public : <2n'}&F
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Wl,%&H2S<
} ; I'x$,s
*}+R{
L=d$"Q
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: qv.[k<~a>
\z2vV+f
y' 2<qj
fy9uLl}h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); vad|Rp l
iYkRo>3!QX
;
qO@A1Hq
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 60~v
t04
"\NF
S{o@QVbl
g;$E1U=R-E
二. 战前分析 HkW/G[7x&
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 f&K}IM8& #
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Q]!6uA$A
!.9l4@z#
kJ/+IGV^v
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); A$/KP\0Y2
/* --------------------------------------------- */ 1UC2zM"
vector < int *> vp( 10 ); l#b:^3
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 4+)Zk$E
/* --------------------------------------------- */ S*;#'j)4+
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ERk kSTp
/* --------------------------------------------- */ j6`6+W=S(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); a a4$'8s
/* --------------------------------------------- */ !&Z*yH
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ,xYg
/* --------------------------------------------- */ 2q12yY f
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); pMOD\J:l,
N[>:@h
"_t4F4z
X88F>1}
看了之后,我们可以思考一些问题: /#29Y^Z)=
1._1, _2是什么?
wtlB
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 H1Q''$}Z.
2._1 = 1是在做什么? Mk<m6E$L
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 IT,"8s
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 QDP-E[
cS4xe(n8
1U
三. 动工 nZe\5`
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: AmZuo_
I`lDWL
[S%J*sz~
HP#ki !'
template < typename T > M\I_{Q?_
class assignment fH&zR#T7U4
{ "@(58nk
T value; OO$|9`a
public : ACgt"
M.3F
assignment( const T & v) : value(v) {} $\+"qs)
template < typename T2 > -H4PRCDH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } JW-|<CJ
} ; X!o@f$
!!9{U%s
.-J`d=Krp
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 8`a,D5U:
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment S3; lKr
L+Eu
d
9wzwY[{
]Uu
aN8
class holder b"^\)|*4;
{ r9<V%PHv
public : fa"\=V2S
template < typename T > ZH% we
assignment < T > operator = ( const T & t) const v< Ty|(gd
{ K@HLIuz4t
return assignment < T > (t); W.IH#`-9E
} Vw7WK
} ; O
/vWd"
@#A!w;bz
T=.-Cl1A
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: UBa-
-E:(w<];
static holder _1; j+nv=p
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 *g*VCO
6`1k
^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); k2pT1QZnt
而不用手动写一个函数对象。 :fhB*SYK
*aI~W^N3
c+H)ed>
wBLsz/
四. 问题分析 &u("|O)w$
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。 sLNNcj(Cy>
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。 Y4`QK+~fH
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 V>AS%lXj
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。
PaNeu1cO
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ?x'w~;9R/
NfOp=X?Y
五. 问题1:一致性 RFB(d=o5S
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?| 9Kx<\)-GMD
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 *G\=i
A
>C:If0S4X
struct holder X`D+jiQ(f
{ p x0Sy|
// Nvhy3
template < typename T > )}quw"H
T & operator ()( const T & r) const g(nK$,c
{ j|k@MfA
return (T & )r; f'i6QMk\&
} v O PMgEI
} ; QsM*wT&aa
A=0@UqM
这样的话assignment也必须相应改动: Qd?CTYNsv
*N`;I@Q"[
template < typename Left, typename Right > a/:]"`)
class assignment 1c/
X
{ K|Om5
p
Left l; tR5tPPw
Right r; oikxg!0S
public : Et.j1M|g
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} t|<FA#
template < typename T2 > q#jEv- j.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } /e .D/;]
} ; S{-f$Q*
G@B*E%$9
同时,holder的operator=也需要改动: ^g[J*{+!W
22|"K**3J|
template < typename T > r
3|4gG
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 'd+:D'
{ Psp^@
return assignment < holder, T > ( * this , t); .N!{ U
} %OEq,Tb
FZH-q!"^cK
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。 Ajg\aof0{
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ?3Pazc]+|
JA< :K0
return l(rhs) = r; jAZ >mo[
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。 H }B2A"
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Jl_~_Z
r,Ds[s)B
template < typename Tp > LZ4xfB(
class constant_t 8'\~%xw
{ Fav^^vf*1
const Tp t; }s(C^0x
public : 8ZW?|-i
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 1TIlINlJ
template < typename T > Ww=O=c5uOu
const Tp & operator ()( const T & r) const JdO)YlM-
{ e$32
return t; Qww^P/vm
} i+1Qf
} ; .>wFztK
+v!v[qn
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 `\ R{5TU
下面就可以修改holder的operator=了 KxX[S.C
!VFem~'d
template < typename T > ^EuW(
"
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const d+Ds9(gV
{ R3Ee%0QK
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Fe5jdV<
} cLAesj
6{8/P'@/Zz
同时也要修改assignment的operator() vlu$!4I
]x@~-I )
template < typename T2 > VVFV8T4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } jWSb5#Pw
现在代码看起来就很一致了。 |Q5+l.%
L{<7.?{Y
六. 问题2:链式操作 j %H`0
现在让我们来看看如何处理链式操作。 <XvYa{t]{
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。 JtFiFaCxY
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。 S~> 5INud
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。 3}j1RYtz
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ||XIWKF<n2
06jMj26!
template < typename T > Z}+yI,
struct result_1 6"+8M 3M l
{ /BT1oWi1y
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; @/ k x
er
} ; ULIFSd Y
!*_K.1'
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: YmgCl!r@
@mNJ=mEV
template < typename T > m:3J!1
struct ref Z7KXWu+6`m
{ CL1
oAk
typedef T & reference; [%?y( q
} ; +sRP<as
template < typename T > r:NH6tAL
struct ref < T &> 'in@9XO
{ kW+G1|
typedef T & reference; ).Gd1pE
} ; :3 y_mf>
$kl$D"*0
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: nj
E(;i>
template < typename T > ??(Kwtx{
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const qv uxhz F
{ '?8Tx&}U8
return l(t) = r(t); # 66e@
} 2( _=SfQ
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。 -njQc:4W,-
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ;ctU&`
u7#z^r
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 3~<}bee5|q
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: N Bz%(?\
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 GI_DhU]~)
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Pin/qp&Fa8
最后的布局是: "{ FoA3g|
Add 0;<OYbm3<
/ \ cgN>3cE
Divide 5 uREu2T2
/ \ aq kix"J
_1 3 Egf^H>,.M
似乎一切都解决了?不。 e9:P9Di(b
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。 !F$R+A+L
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 ^yJ:+m;6K
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: />F.Nsujy
Hk9U&j$
template < typename Right > hfv%,,e
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const /WYh[XKe
Right & rt) const t%$@fjz
{ 1a8$f5
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8(Fu
} 6v>z h
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 \igaQ\~
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。 (tKMBxQo8
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。 `pm>'
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。 u|OtKq
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。 :1MMa6
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? .`J:xL%Z
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: GO~k '
<[<247%
template < class Action > y
1nU{Sc@
class picker : public Action
w~LU\Ct
{ 7=3O^=Q^Q
public : hy!6g n
picker( const Action & act) : Action(act) {} ?(D}5`Nfu
// all the operator overloaded `< Yf{'*
} ; LwQH6 !;[
Q7(eq0na
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。 CjKRP;5
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: 8[R1A
m8AAp1=
template < typename Right > ]EN&S Wh
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const .CS v|:'1
{
g`3H(PVg
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); }N]!0Ka
} g_M^E-3
SH=:p^J
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > =~JfVozU
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。 ET+'Pj3
ox4W$YdMG
template < typename T > struct picker_maker Rsn^eR6^
{ U&Ab#m;
typedef picker < constant_t < T > > result; _-TOeP8#94
} ; y\z > /q
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > A{(T'/~"
{ 41}/w3Z4
typedef picker < T > result; )E-E0Hl>7
} ; YxyG\J\|,
aDveU)]=1
下面总的结构就有了: +nQ!4
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 PpFsp( )x
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 !
Rvn'|!
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 nq@5j0fK
至此链式操作完美实现。 4m /TW)
jb3.W
u`6/I#q`
七. 问题3
i6 L
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 >BJ}U_ck
|D<+X^0'
template < typename T1, typename T2 > GoD ?K C
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4E'|.tt(
{ k>>`fE\K
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); l&|)O6N
} &CUC{t$VHX
0'@u!m?
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: >?V<$>12
)&z4_l8`=
template < typename T1, typename T2 > ]QS](BbD:
struct result_2 L#ZLawG
{ (3O1?n[n
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; =ybGb7?
} ; zX~}]?|9
)S Q('vwg
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? H%C\Uz"o
这个差事就留给了holder自己。 Lzz)n%y5
V{GXc:=
rhoeZ
template < int Order > x.\XUJ4x
class holder; 4#h?Wga
template <> +5-fk>o
class holder < 1 > G_+Ph^
{ .[,6JU%
public : 6|oWaA\gI
template < typename T > <I1y
struct result_1 045\i[l=
{ p%8v`
typedef T & result; !-RwB@\
} ; !7c'<[+Hm
template < typename T1, typename T2 > |[ocyUsxX
struct result_2 `j:M)2:*y
{ u G[!w!e
typedef T1 & result; P&\X`ZUA
} ; tN}c0'H
template < typename T > Cya5*U0=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 3Ta>Ki
{ HEpM4xe$
return (T & )r; gVA; `<
} =)*JbwQ
template < typename T1, typename T2 > .+vd6Uc5a
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const XNlhu^jh
{ C fSl
54
return (T1 & )r1; T<M?PlED
} AsAFUuI
} ; n.Vtc-yZU
"*bk{)dz}
template <> bP03G=`6w
class holder < 2 > lC2?sD$
{ P}l#VJWp
public : _uJVuCc
template < typename T > >HIt}Zh
struct result_1 ZOn_dYjC
{ J|q^+K
typedef T & result; BkV(81"C
} ; jN {Zw*
template < typename T1, typename T2 > 0d`5Gy_ D%
struct result_2 M8zE3;5
{ gD1+]am
typedef T2 & result; j8c6[ih
} ; 3I\m,Ob
template < typename T > [?I/Uo8
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Vrg3{@$
{ JT#7yetk'
return (T & )r; B0"0_n7-
} HT&p{7kFm
template < typename T1, typename T2 > 'z-D%sCA
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const h"8QeX:((
{ VWD.J
return (T2 & )r2; CrO`=\
} ]hKgA~;
} ; ]4GZ'&m}
obYn&\6
KK$ a;/
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> >。 [
t$AavU.
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 4(8<w cL
首先 assignment::operator(int, int)被调用: FW5}oD(H
yp?w3|`4;
return l(i, j) = r(i, j); hv{87`L'K(
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) pX^=be_
[,GU5,o
return ( int & )i; Ju4.@
return ( int & )j; P{Lg{I_w.B
最后执行i = j; u>m'FECXj
可见,参数被正确的选择了。 Otxa<M+"
Ysl9f1>%
NhCAv+
s,kU*kHn
,S0UY):( A
八. 中期总结 Vq U|kv
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: *.3y2m,bZ
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 7O9n!aJ
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ;b|
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor '{CWanTPi
`{<JC{yc?
qS|AdkNL
E#aZvE
=R2l3-HA=
DU`v J2
九. 简化 !h*B (,
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 *73AAA5LKa
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 BtID;^Dz
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: M2L0c?
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 +nzTxpcP@K
+-*/&|^等 !%V*UR9
2. 返回引用。 1xIFvXru
=,各种复合赋值等 <uC<GDO
3. 返回固定类型。 E$R_rX4x
各种逻辑/比较操作符(返回bool) wcl!S {
4. 原样返回。 8UYJye8
operator, j)BQMtt&U
5. 返回解引用的类型。 _<3r'Y,
operator*(单目) M_; w%FV
6. 返回地址。
VmYBa(
operator&(单目) x*J|i4
7. 下表访问返回类型。 j=\Mx6os
operator[] ,$ mLL
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 G\):2Qz!|
operator<<和operator>> (Wn
"3
]
l<Lz{)OR
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。 ?l>e75V%w
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Y!aLf[x]
7g8B'ex J
template < typename Left > aTX]+tBoe
struct value_return t%:G|n Sz
{ #.b^E3#+
template < typename T > >R#9\/s
struct result_1
C6CGj8G
{ }`#Bf
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; t+J)dr
} ; YY\Rua/nG
I0(8Z]x
template < typename T1, typename T2 > a 1NCVZ
struct result_2 C?S~L5a#oC
{ u,\xok"
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; (c<