一. 什么是Lambda Ggy_
Ctu
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 -e#YWMo(
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, s~Wj h7'
,>CFw-Nxu
9
O| "Ws>{
\7Hzj0hSi
class filler ey<u
{ v'*
public : "!<Kmh5
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} V x1C4
} ; j &)Xi^^
:P`sK&b_
b)@%gS\F
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: 3F2> &p|7
_F
xq
DG8]FhD^b
Et@= <g
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); \{J gjd
@K36?d]e
a$Eqe_
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 pH.wCD:1n
6}mbj=E`
"|RP_v2
[oOZ6\?HB
二. 战前分析 P(G$@},W
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。 r AMnM>`
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 jPYed@[+
zR
h1
h!56?4,%Y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Gxv@ a
/* --------------------------------------------- */ e:{v.C0ez
vector < int *> vp( 10 ); .$)'7
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); #C,M8~Q7
/* --------------------------------------------- */ =]E(iR_&
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); I=l() ET=
/* --------------------------------------------- */ g[Ah>
5
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); e/lfT?J\
/* --------------------------------------------- */ '1;Q'-/J
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); aWek<Y~+
/* --------------------------------------------- */ @uz&]~+`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); yCkfAx8]
'-3AWBWI1
!> b>"\b
i`7{q~d=
看了之后,我们可以思考一些问题: iaXNf
])?
1._1, _2是什么? P{5p'g ,
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。 t,=
ta{
a
2._1 = 1是在做什么? Z_F:H@-&
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。 .:Bjs*
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。 wl2rw93
/A\'_a|
I<|)uK7
三. 动工 (:2:_FL
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: VaQ>g*(I
;%2/
m8$6FN
7CYu"+Ea
template < typename T > &0SGAJlec
class assignment UTKS<.q
{ ,e( |,u
T value; S6,AY(V
public : ;YNN)P%"
assignment( const T & v) : value(v) {} \c>9f"jS_
template < typename T2 > eS fT+UL
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } C$oY,A,
} ; l_iucN
7^'TU=ss_
YQ X+lE
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 1;3oGuHj8
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment [&t3xC,
"C.'_H!Ex
CCfuz &
z*ZEw
class holder 2\l7=9 ]\3
{ pl
Ii
public : KCJ zE>
template < typename T > 1qbd6D|t
assignment < T > operator = ( const T & t) const (7`goi7M
{ 'IBs/9=ZC
return assignment < T > (t); Dk|S`3
} (~xFd^W9o
} ; &>0=v
5^cPG" 4@
!I]fNTv<
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: X'.}#R1
p.TR1BHw
static holder _1; \$^ z.
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 \lCr~D5
UoPd>q4Uj
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ~6.AE/ow
而不用手动写一个函数对象。 ur={+0
y
1c&/&6#5
Jx1oK
/:>qhRFJA:
四. 问题分析 (*7edc"F
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。 uzG<(Q pu
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。 1c~c_Cc4
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 \2-!%i,
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 O7ceSz
下面我们可以对这几个问题进行分析。 [Av87!kJ!X
!vfjo[v
五. 问题1:一致性 ySP1WK
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?| #6fp"
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 dr^pzM!N
l-_voOP
struct holder | ctGxS9
{ "p.MJxH
// S0/@y'q3en
template < typename T > ]kbmbO?M
T & operator ()( const T & r) const @!'Pr$`
{ f"xi7vJv!f
return (T & )r; rOyK==8/Fg
} IGEf*!
} ; 8wwqV{O7
Y fk[mo
这样的话assignment也必须相应改动: !cE>L~cza
-q&VV,
template < typename Left, typename Right > 6AqHzeh
class assignment xU@YBzbk
{ tS#EqMf&o
Left l; LkMhS0?(T
Right r; I8gGP'
public : eJilSFp1
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 5g&.P\c{
template < typename T2 > PP/M-Jql)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } r^ S4 I&
} ; WG NuB9R
b=:AFs{
同时,holder的operator=也需要改动: N/DcaHFYo
yJWgz`/L
template < typename T > 9@./=5N~3
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const HC*=E.J
{ Kpz>si?CL
return assignment < holder, T > ( * this , t); ;TF(opW:
} Bt[`p\p@
z!)_'A
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 3qiE#+dC
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 a-4'jT:
Ah='E$t
return l(rhs) = r; +Qt=N6>
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。 />Tyiy]2uu
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: O;ZU{VY
,G
e7
9(
template < typename Tp > cn v4!c0
class constant_t gHQ[D|zu
{ djS?$WBpU
const Tp t; A1{P"p!
public : -_
.f&l8
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} %h g=@7,|
template < typename T > ~1`.iA
const Tp & operator ()( const T & r) const SOE#@{IXBa
{ <_uLf9ja
return t; \U4O*lq
} VmF?8Vi4
} ; 6b9D db*
xYc)iH6&
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 &1%W-&bc6
下面就可以修改holder的operator=了 'j !!h4
:t?9$ dL
template < typename T > -. L)-%wIV
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const N$M#3Y;
{ S6h=}
V)
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); e-,U@_B
} .S`Ue,H
"Fy34T0N
同时也要修改assignment的operator() >J[g)$,
m}T^rX%m_
template < typename T2 > Pg-~^"?y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 1HskY| X
现在代码看起来就很一致了。 w8wF;:>
?1?^>M
六. 问题2:链式操作 j.uN`cU!
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -i V&-oP
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。 }el.qZ
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。 @(JcM=
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。 `mQY%p|
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct U;D!m+.HK
[Oxmg?W
template < typename T > yX,2`&c
struct result_1 <P3r+ 1|R
{ HLg/=VF7?
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 1Z'cL~9
} ; `FHHh
FviLlly6
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: VjtI1I
}IC$Du#
template < typename T > r[vMiVb
struct ref A-~#ydv
{ :&mYz(1q
typedef T & reference; wp-5B= #:{
} ; [3nhf<O
template < typename T > S5@/;T
struct ref < T &> 9qIUBH e
{ SDcxro|8i
typedef T & reference; ZwAX+0
} ; F:%= u
=
j2cLb
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: <P'^olQ
df
nmUE
template < typename T > DIB Az s
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const =$}P'[V
{ hmtRs]7
return l(t) = r(t); k~>9,=::d
} DifRpj I-0
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。 N;>>HN[bBP
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ')5W
IPbdX@FeV
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 rFM`ne<zh
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: -g]/Ko]2@$
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 x +!<_p
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 s{NEP/QQJ
最后的布局是: p)f OAr
Add +Q_X,gZ
/ \ [@"H2#CQ
Divide 5 JS642T
/ \ e!l!T@
pf
_1 3 aa_&WHXkt
似乎一切都解决了?不。 hQ i[7r($8
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 >a%NC'~rc
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 d0>V^cB '?
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: :bE ^b
-WB?hmx
template < typename Right > qDM/
6xO
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const NS#qein~i
Right & rt) const %;!@\5$
{ zG[fPD
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt);
doBfpQ2
} S6 $S%$
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 y+(<Is0w
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。 T$06DS
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。 H:`W\CP7_
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。 W([)b[-*
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。 Lbq"( b
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? _0)#-L>xKF
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: X9/V;!
,yWTkql
template < class Action > ?6p6OB
class picker : public Action eE>3=1d]w
{ jm =E_86_
public : \_!FOUPz(
picker( const Action & act) : Action(act) {} E(4ti]'4
// all the operator overloaded jHT 4I>\
} ; .hg<\-:_
H
#J"'
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。 :u'X
~ID[
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: DGC-`z
; QR|v
template < typename Right > prlnK
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 5u:+hB
{ GuV-[
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); doFp53NhV
} %Wom]/&,'
s2@N&7"u)
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > EX>> -D7L
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。 rzDqfecOmW
[{Fr{La`D'
template < typename T > struct picker_maker $.QnM
{ )"WImf:*
typedef picker < constant_t < T > > result; T5z %X:VD(
} ; BtBo%t&
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > V{HZ/p_Y
{ 8q)2)p
typedef picker < T > result; `-\4Dx1!q
} ; j5R= K*y
x&l?Cfvv=
下面总的结构就有了: lBR6O!sBP
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 BXa1[7Z
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 UIL5K
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 6vX+-f
至此链式操作完美实现。 zf$OC}|\w
b]g}h
<eO 7b6_
七. 问题3 F@ZG| &
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。 69cOdIt^D
Ki^m&P
template < typename T1, typename T2 > wC{=o`v
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const nv{ou[vQ
{ L -b~#
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); u,PrEmy-
} CUnZ}@?d
H5, {Z
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"ags
8!3+Obj
template < typename T1, typename T2 > @IB8(TZ5I
struct result_2 To]WCFp6@
{ j6/ 3p|E
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; {AO3o<-h
} ; |QAmN>7U
8<^[xe
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? zO2<Igb
这个差事就留给了holder自己。 18}L89S>
bsr
(^qcX;-
template < int Order > r4J4|&ym
class holder; #E^ %h
template <> pP{b!1
class holder < 1 > pA4/'7nCl
{ xE9^4-Px*
public : >/6v`
8F
template < typename T > /{>ds-;-
struct result_1 ,PJl32
{ S^I38gJd
typedef T & result; qI<*Cze
} ; eY\tO"Hc
template < typename T1, typename T2 > :lgIu .
struct result_2 \Y>^L{
{ I4m)5G?O2
typedef T1 & result; ;r49H<z
} ; d;D^<-[i
template < typename T > q1r\60M
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const [mw#a9
{ /%=#*/E7
return (T & )r; xtpD/,2
} j[iJo
5
template < typename T1, typename T2 > U,RIr8 G
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Kl(}s{YFn.
{ ]K XknEaxl
return (T1 & )r1; ;f?OT7>kN
} d^ipf*aLC
} ; A
|NX"
RZOk.~[v
template <> J-Sf9^G
class holder < 2 > g|)e3q{M
{ (niZN_qv
public : 9^igzRn0
template < typename T > nqgfAQsE)
struct result_1 u+(e,t
{ 3i>$g3G
typedef T & result; ],H%u2GE_
} ; J#Bz)WmR
template < typename T1, typename T2 > GZI[qKDfB
struct result_2 YX^{lD1Jj
{ q/Q^\HTk
typedef T2 & result; ut3jIZ1]
} ; ZJy
D/9y
template < typename T > _qE2r^o"B
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const <u->hT
{ )I1LBvfQ
return (T & )r; Y]Su<tgX?
} p7.@ez ;
template < typename T1, typename T2 > Q>TaaGc
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const <@F4{*
{ OX8jCW
return (T2 & )r2; A<>W^ow
} o }Tv^>L
} ; ~{2@-qcm
/%)MlG
XKks j!'B
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 `+"QhQ4w
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: EnwiE
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 8Yb/ c*
~\ie/}zYj
return l(i, j) = r(i, j); ip1jY!
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ?ZTB u[
27u$VHwb
return ( int & )i;
9FWn
return ( int & )j; tG%R_$*
最后执行i = j; ~Ja>x`5
可见,参数被正确的选择了。 <9@VY
1/HPcCsHb
uA}asm
ZJR{c 5TE
yMo@ka=v
八. 中期总结 b#82G`6r
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: N|[a<ut<
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 v]!|\]
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 2cy{d|c
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor v7&$(HJ>]L
?KS9Dh
*}[@*
M~"]h:m&'v
+XY}-
dW:
九. 简化 r 9*{)"
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 XZKOBq B]
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ghms-.:b8
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: <<UlFE9"
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 k{@z87+&
+-*/&|^等 Ch7eUTqA@
2. 返回引用。 AiO,zjM =
=,各种复合赋值等 f kP
WGd
3. 返回固定类型。 ~_S`zzcZy4
各种逻辑/比较操作符(返回bool) &TK% igL
4. 原样返回。 (TnYUyFP`
operator, v- {kPc=:#
5. 返回解引用的类型。 `P# h?tZ
operator*(单目) ]0`[L<_r
6. 返回地址。 t%FS 5
operator&(单目) [X~HUk??
7. 下表访问返回类型。 vW]BOzK
operator[] ipU"|{NK
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 }bB_[+YV`{
operator<<和operator>> f(##P|3>R
&VQwuO
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 +A:}5{
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ZnmBb_eX
r*tGT_/6
template < typename Left > 2t(E+^~
struct value_return
> }:6m
{ DORFK
template < typename T > .6/[X`*
struct result_1 /ox}l<ha
{ '4O1Y0K
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; <Ft.{aNq$c
} ; ,l@hhaLm?
^8fO3<Jg
template < typename T1, typename T2 > +'lfW{E1t
struct result_2 hwC3['
{ ~L}0)FZ\9
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; fx_7B (
} ; VBd.5YW
} ; RrRCT.+E
$ cK9E:v
gZvl
D
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait nR
,j1IUF
^KlMBKWyB
下面我们来剥离functor中的operator() j~L{=ojz%
首先operator里面的代码全是下面的形式: 43P?f+IYrk
YSZz4?9\
return l(t) op r(t) Ymn0?$,D1=
return l(t1, t2) op r(t1, t2) y#T":jpR
return op l(t) !5{t1 oJ
return op l(t1, t2) nQ/El&{
return l(t) op Sc*p7o: A
return l(t1, t2) op 4Ly!:GH3T
return l(t)[r(t)] -bE{yT)7
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] &