一. 什么是Lambda [eD0L71[
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Uuy$F
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象,
] :;x,$k
U1r]e%df)
w*6b%h%ww
jM\{*!7b
class filler y;ElSt;S
{ J>
public : i3,.E]/wX@
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} upuN$4m&{
} ; ;+wB!/k,
]zlA<w8
D[yyFo,z
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: #Kb /tOp1
LJ[zF~4#
%C_tBNE<
%(6IaqJ[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); V^,gpTyv*
lndz
q2X::Yqk
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 4SI~y;c)
j+h+Y|4J
-iiX!@
ZoXz@/T
二. 战前分析 /u$'=!<b;
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。 _<c"/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 -LiGO #U
]u5TvI,C
OV]xo8a;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); SxYz)aF~
/* --------------------------------------------- */ K} CgFBk
vector < int *> vp( 10 ); ceG\Q2
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); i%9vZ
/* --------------------------------------------- */ .u)KP*_
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); w80X~
/* --------------------------------------------- */ I:jIChT
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); mEJ7e#
/* --------------------------------------------- */ w<H Xe
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); j~N*T XkC
/* --------------------------------------------- */ y8$3kXh
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 9Rk(q4.OP
Ixn|BCi60A
\$_02:#
Sl8+A+
看了之后,我们可以思考一些问题: Dd1k?
1._1, _2是什么? 4C`RxQJM
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 h-PJC/>
2._1 = 1是在做什么? ^(TCUY~f&
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 %:~Ah6R1
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 |X=p`iz1&
Doc zQc-U+
;((t|
三. 动工
\uTlwS
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 8~(,qU8- N
C)U4Fr ?E:
) 'xyK
.8QhJHwd
template < typename T > "#E
Z
class assignment DPf].i#
{ 2;sTSGDG
T value; V30w`\1A
public : _zDS-e@
assignment( const T & v) : value(v) {} 1#N`elm
template < typename T2 > p^Ey6,!8]D
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 3YLK?X8
} ; 6H0kY/quL|
-F/)-s6#!'
Ei:m@}g
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Z><+4
'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 0i}.l\
>q;|
dn9
L<dh\5#p9Y
9 5!xJdq
class holder RK@K>)"f
{ 7a_8007$l
public : nP*DZC0kE&
template < typename T > O_ r-(wE4
assignment < T > operator = ( const T & t) const Uhvy2}w
{ }'vQUGu8z
return assignment < T > (t); 5dv|NLl
} !QdX+y<re
} ; T^eD
=,*/Ph&
F$i50s
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: 1?)h-aN
~Q"qz<WO
static holder _1; G-D}J2r=F
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 T=w0T-[f
J_+2]X7n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); DBy%"/c
而不用手动写一个函数对象。 {6LS$3}VM
\gT({XU?
9k93:#{WE
6a9:P@tY
四. 问题分析 M`7lYw\Or!
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。 "$5cKbJ
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 .`KzA]
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 7&etnQJ{
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 F +5
5p8
下面我们可以对这几个问题进行分析。 kb$Yc)+R4
LTx,oa:ma
五. 问题1:一致性 l^tRy_T:-
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?| ??Urm[Y.Z
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 i%i s<'
b$Ei>%'/";
struct holder @(6P L^I
{ `}ZtK574
// ?Z!R
template < typename T > ?W dY{;&
T & operator ()( const T & r) const ',+Zqog92
{ |U'` Sc
return (T & )r; d8Cd4qIXX
} Z @DDuVr
} ; `)8SIx
sWTa;Qi
这样的话assignment也必须相应改动: iig4JP'h
\ %xku:
template < typename Left, typename Right > ifWQwS/,a
class assignment /ZL6gRRA|
{ m1K4_a)^[
Left l; r^E(GmW
Right r; giIPK&
public : J}-e9vK-#
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Z" l].\=
F
template < typename T2 > 1TzwXX7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } $PlMyLu7jc
} ; %"#ydOy
r0OP !u
同时,holder的operator=也需要改动: .f[z_%ar
Gf!c
template < typename T > I~HA
ad,k
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const CCC9I8rZD
{ #l* w=D?
return assignment < holder, T > ( * this , t); >`yRL[c;
} [k%u$
k8+U0J_{'
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。 SEWdhthP
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 +~==qLsU
b'4}=Xpn
return l(rhs) = r; trA ^JY
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。 l"h6e$dP
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: }0/l48G
Q4L7{^[X
template < typename Tp > "fN
6_*
class constant_t oBnes*
{ =|fB":vk
const Tp t; 6B
b+f"
public : roi,?B_8
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 7 > _vH]
template < typename T > BEAY}P(y3
const Tp & operator ()( const T & r) const s`yg?CR`,
{ 4qd(a)NdY
return t; E
KJ2P$
} %n,_^voE
} ; DHvZ:)aT}
A&jR-%JG
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 e?o/H
下面就可以修改holder的operator=了 p&2d&;Qo0
8h=K S
template < typename T > U9\w)D|+eE
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const DdeKZ)8
{ ]Ee$ulJ02
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); eT2Tg5Etc
} #op0|:/N
?5%o-hB|
同时也要修改assignment的operator() n-GoG(s..b
lG[j,MDs
template < typename T2 > qJ~fEX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 7?vj+1;
现在代码看起来就很一致了。 @L 6)RF
tHM0]Gb}
六. 问题2:链式操作 OeZ"WO
现在让我们来看看如何处理链式操作。 HqyAo]{GN
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 JZ>
(h
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 (7$BF~s:,
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。 g">^#^hBE
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct {=,I>w]T|W
Bq-}BN?pz
template < typename T > V8pZr+AJ
struct result_1 MlbcJo3
{ Z(LTHAbBk|
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; <<Z, 1{3F
} ; nYBa+>3BDf
^nFP#J)_5
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: M[u6+`
00r7trZW^
template < typename T > N>)Db
struct ref : Hu{MN\
{ i{Du6j^j
typedef T & reference; gC_KT,=H;
} ; N&$ ,uhmO
template < typename T > U?5G%o(q
struct ref < T &> :FmH=pI!=
{ Wn?),=WQ{
typedef T & reference; r{*BJi.b
} ; pWH,nn?w.
I_R 6
M1
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: bV"t;R9
Pj!f^MN
template < typename T > P%!=Rj^ 2m
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Cm"S=gV
{ /cvMp#<]
return l(t) = r(t); "];@N!dA
} z'"Y+EWN
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。 $(*>]PC+)
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 :"@-Bcln
8L6b:$Y3@C
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 kN#3HI]8
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 5;HCNwX
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 {&6i$4T
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 pEW~zl
最后的布局是: NQvI=R-g
Add DhsvN&yNM
/ \ !?|xeQ}
Divide 5 LPca+o|f
/ \ |TR
+Wn
_1 3 Y;
to9Kv$
似乎一切都解决了?不。 6V#EEb
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。 OF-VVIS
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。 Y zmMF
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: *O_^C
cF?0=un
template < typename Right > aEVy20wd
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const &rl;+QS
Right & rt) const :l?mNm5
{ '6*9pG-
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); | :id/
} j"VDqDDz
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 lWT`y
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。 4:/^ .:
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。 qL[SwEc
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。 h@y>QhYU0
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。 $ \o)-3
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? JZ&_1~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: S_;r!.
BL"7_phM,
template < class Action > j0(jXAc;UB
class picker : public Action f$vTD ak
{ WJ[>p
ELT,
public : KeXt"U
picker( const Action & act) : Action(act) {} ZE~zs~z|
// all the operator overloaded ,H^!G\
} ; }d;6.~Gw
hhFO,
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 g-]~+7LL
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: zgH*B*)bj
a;M{-G
template < typename Right > 5O
Y5b8
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Chx+p&!
{ V
w58w`e
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1xkrhqq
} 3dolrW
Jyr
V2Tk^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2A:h&t/|C
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 \xv(&94U
G.v(2~QFd
template < typename T > struct picker_maker {8`$~c
{ aql8Or1[
typedef picker < constant_t < T > > result; =
} ; J_-fs#[x
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > E-FR
w
{ a7453s
typedef picker < T > result; `(=Kp=b
} ; 7mMMVz2
cO5zg<wF
下面总的结构就有了: +mzLOJed
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。 $bFK2yx?=
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 zNdkwj p+
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ASre@pW
至此链式操作完美实现。 V/kndV[j
oD1k7Gq1
Pnm$g;`P
七. 问题3 1?1Bz?EKF*
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。 SY%y *6[6
0y?;o*&U\
template < typename T1, typename T2 > -B&(&R
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const gZ7R^]
k
{ UxzF5V5
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); W I MBwmg
} bv b\G
8&|
o
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: G9yK/g&q
KAI2[ gs
template < typename T1, typename T2 > j%^4
1 y
struct result_2 Y?3tf0t/
{ ahy6a,)K~
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; y$SUYG'v
} ; o ]z#~^w
GZNN2
'
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 2A[hMbL
这个差事就留给了holder自己。 #Lp}j?Y
0<NS1y
v$Hz)J.01
template < int Order > kLZVTVSJt
class holder; IDFzyg_
template <> H"6x/&s.=k
class holder < 1 > G8klWZAJ
{ 'wG1un;t
public : p?,<{mAe
template < typename T > \y]K]iv
struct result_1 =\5WYC
{ Z?!AJY
typedef T & result; ._^ne=Lx
} ; :TG;W,`.V
template < typename T1, typename T2 > c {%mi
struct result_2 -OlrA{=c_
{ 80[# 6`
typedef T1 & result; vk48&8
} ; kwc
Cf2
template < typename T > 3mo4;F,h9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const -bzlp7q*
{ aaT3-][
return (T & )r; cK u[4D{
} k'#3fz\
template < typename T1, typename T2 > iC=>wrqY>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const MyllL@kP
{ 0#!}s&j/
return (T1 & )r1; _#:7S
sJ
} ?{J1Uw<
} ; 4oiE@y&{4
d$3md<lIB
template <> pka^7OWyN
class holder < 2 > m1Y a
{ rSJ!vQo
Cb
public : t:fz%IOe
template < typename T > fJc(
struct result_1 u@ #%SX
{ $jE<n/8
typedef T & result; EOXkMr
} ;
<KU0K
template < typename T1, typename T2 > hQm=9gS
struct result_2 vu\W5M
{ 'kt6%d2
typedef T2 & result; @Xl(A]w%!
} ; s.i9&1Y-!
template < typename T > ~rdS#f&R2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ZF[W<Q
{ 1LRP
R@b^
return (T & )r; 1bCE~,tD
} !6=;dX
template < typename T1, typename T2 > &|GH@^)@
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const M=pQx$%a
{ p7;K] AW
return (T2 & )r2; @gK`RmhGE5
} @M4c/k}
} ; y1%OH#:duD
Q:megU'u
}
u;{38~
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> >。 I!*P' {lh
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: B]G2P`sN
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ]A%3\)r
0j!3\=P$
return l(i, j) = r(i, j); fGlvum
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) v9:J 55x
2[+.*Ef
return ( int & )i; pxTtV g.
return ( int & )j; EtN,
最后执行i = j; >ceC8"}J5M
可见,参数被正确的选择了。 $`3yImv+w
k4LrUd
t;w<n"
xn2 nh@;
t"GnmeH
i
八. 中期总结 aj;x:UqpJ
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: oLKliA=q
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 M^:JhX{
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 !\R5/-_UU
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor r4SwvxhG
N)g _LL>^
$J4\jIipL
~O\A 0e
VtLRl0/
@rbd`7$%
九. 简化 -#f.}H'
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。 TF:'6#p
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 hb3:,c(
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: g@>llve{
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 '=E;^'Rl
+-*/&|^等 _dd! nU\A|
2. 返回引用。 kiM:(=5
=,各种复合赋值等 LP#wE~K"b
3. 返回固定类型。 Eu(QeST\
各种逻辑/比较操作符(返回bool) IN bV6jZL
4. 原样返回。 )mm0PJF~q
operator, zni9
5. 返回解引用的类型。 +=E\sEe
operator*(单目) hO8xH +;
6. 返回地址。 >va_,Y}
operator&(单目) >JE+j=
7. 下表访问返回类型。 &wK:R,~x6
operator[] {UP[iw$~
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 r
1r@TG\
operator<<和operator>> h^=;\ng1l
0QZT<Zs
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 X|{T ljn
例如针对第一条,我们实现一个policy类: )]C]K B
rk1,LsZVS
template < typename Left > .?6p~
struct value_return #[=kQ&
{ R*:$^v@4
template < typename T > no<$=(11i
struct result_1 r=n{3o+
{ L3Y,z3/
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ;9z|rWsF
} ; *G.vY#h
k^%=\c
template < typename T1, typename T2 > 8S8qj"s
struct result_2 bp9RF
d{
{ >p-UQc
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; 6a,8t
} ; vz4(
k/
} ; B.G6vx4yp
L&kCI`Tb
D^@@ P
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait D{B?2}X
]4H)GWHKg
下面我们来剥离functor中的operator() _|M8xI
首先operator里面的代码全是下面的形式: \o[][R#D
c_vGr55
return l(t) op r(t) ,A` |jF
return l(t1, t2) op r(t1, t2) EF
:g0$
return op l(t) !j'LZ7
return op l(t1, t2) 5T#v&
return l(t) op 6ncwa<q5
return l(t1, t2) op e&
`"}^X;I
return l(t)[r(t)] _:9}RT?
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] es6YxMg
ys=}
V|
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: D?_K5a&v,
单目: return f(l(t), r(t)); &233QRYM
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); 2JK
'!Ry)
双目: return f(l(t)); ^~V2xCu!
return f(l(t1, t2)); Ds(Z.
下面就是f的实现,以operator/为例 /.e7#-+?
[+D]!&