一. 什么是Lambda ;=j@,
yu
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 a07@C
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, tt?58dm|
-7/s]9o'
O1 .w,U
JXG"M#{
class filler &zQ2M#{82
{ <Llp\XcZ
public : (Rk_-9_E.
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} +')f6P;t>=
} ; =cN&A_L(
]q-g[e'
Rj F'x
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: uPYmHA}_/
cYx4~ V^
^_5L"F]sP
x:vu'A
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); /(.6bv
;!91^Tl
zWpqJK
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 GU't%[
jztq.2-c#
4L-:*b_v\
L-pVltX
二. 战前分析 EM7+VO(
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。 2 oa#0`{
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 %8*64T")
n .!Ym
X4
>@WX>0`ht
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); X1IeSMAe
/* --------------------------------------------- */ }?cGf-c
vector < int *> vp( 10 ); tt%MoQ)
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); +jg9$e "
/* --------------------------------------------- */ JOjoiA
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 5Zmw} M
/* --------------------------------------------- */ ml@2wGyf
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); t NsPB6Z
/* --------------------------------------------- */ ,D\GGRw
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); cJM:
/* --------------------------------------------- */ RH}A
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); =X?\MVWB
HL/bS/KX
vA$o~?a]/
7'wS\/e4a
看了之后,我们可以思考一些问题: rC:?l(8ng3
1._1, _2是什么? L,d
LE-L
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。 TI9UXa:V\
2._1 = 1是在做什么? <<D$+@wxm
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 hYQ_45Z*?
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 c4_`Ew^k
TF2>4 p
kc7lc|'z
三. 动工 <Dx]b*H
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: @
S <-d
8 #ndFpu
.nYUL>
#jAqra._b
template < typename T > UgWs{y2SE.
class assignment 5TBp'7 /s~
{ K"<PGOF
T value; <Sz52Suh>
public : %Pksv}
assignment( const T & v) : value(v) {} l5+gsEux]
template < typename T2 > ZEYgK)^
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } |F.)zC5{
} ; {]z4k[;.h
,!V]jP)
/(O$(35
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 gPAX4'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment [2ax>Yk$
]"c+sMW
h^
-.]Y
"NRDNqj(
class holder !6Sd(2
{ ~gz^Cdh
public : fN"(mW>!
template < typename T > Bl9jkq
]
assignment < T > operator = ( const T & t) const tBTTCwNT%
{ 2_Wg!bq
return assignment < T > (t); /7!""{1\\
} @/r^%G
} ; 6t/`:OZC:
SI:U0gUc
9 Pw0m=4
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: D>Gt]s
!v]b(z`Y
static holder _1; %{6LUn
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 4tSv{B/}
7Cjd.0T=(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); JbB}y'c4}=
而不用手动写一个函数对象。 'qdPw%d
2,aPr:]
IrMl:+t\
RE.r4uOJg
四. 问题分析 uxg9yp@|
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。 X0-IRJ[
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。 dD<fn9t
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 \c[IbL07
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Mg#j3W}]
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2MA]j T
#_mi `7!B#
五. 问题1:一致性 DF6c|
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?| %gnM(pxl
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 $D31Q[p=+
3]-_q"Co4f
struct holder (Qgde6
{ 2xw6 5z
// kt4d;4n
template < typename T > fF*`'i=!
T & operator ()( const T & r) const j@Qg0F
{ ]pEV}@7
return (T & )r; #d{=\$=
} G8W#<1LE
} ; RtG}h[k/X
"U.^lkN
这样的话assignment也必须相应改动: {brMqE>P#
p0.|<
template < typename Left, typename Right > M4ozTp<$O
class assignment Y^%T}yTtq
{ ,3I^?5
Left l; `V[!@b:
Right r; iut`7
public : 5>J=YLq
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} U|G|l|Bl
template < typename T2 > c:83LZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ]]}tdn _
} ; WWT",gio
Gu=STb
同时,holder的operator=也需要改动: ?muzU.h"z
2cu#lMq
template < typename T > HE<1v@jW
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Y-ux7F{=z
{ +.RKi!
return assignment < holder, T > ( * this , t); >r &;3:"
} 9;yn}\N `
74<!&t
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。
9;Fbnp'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 TwyM\9l7
-st7_3
return l(rhs) = r; _ >`X]I;
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。 Hn,:`mj4-6
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: K.gEj*@
@?C#r.vgp
template < typename Tp > 61U<5:#l
class constant_t ,2oF:H
{ R~bC,`Bh
const Tp t; c62=* ] ,
public : HaA1z}?n
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} = sAn,ri
template < typename T > p8wyEHB
const Tp & operator ()( const T & r) const jQU"Ved
{ K!D
o8|
return t; P?BGBbC
} {f9{8-W<u
} ; 0oy-os
0=w K:Ex
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ]0D}T'wM
下面就可以修改holder的operator=了 X5YiFLH>y\
ThW,Y"
l
template < typename T > 1
4LI5T
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const *zO&N^X.4
{ cYNJhGY
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); R E1/"[t
} 9iN.3/T8
m?s}QGSka
同时也要修改assignment的operator() # N~,F@t
sqx`">R
template < typename T2 > \Mv":Lm1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } dQezd-y*
现在代码看起来就很一致了。 Y}6n]n;uR
DN4#H`
六. 问题2:链式操作 T5wjU*=IL
现在让我们来看看如何处理链式操作。 EoX_KG{
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。 dQy>Nmfy
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\y%4}j
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。 Z,N$A7SBE
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 7iuQ9q^&
- ~O'vLG
template < typename T > r%Rs0)$yj
struct result_1 6VD1cb\lF
{ ryO$6L
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Ql?^
B
SqG
} ; y0v]N
"s
W-_j]
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 3`9{T>
wHz?#MW 3L
template < typename T > a:SQ16_?
struct ref Z: 2I/
{ QbYc[8-[
typedef T & reference; /Tz85 [%6
} ; x4Rk<Th"o
template < typename T > '%v#v 3'
struct ref < T &> QGiAW7b5
{ 4^c-D
typedef T & reference; b7C
e%Br
} ; U7&x rif
mzL[/B#>M
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ]O:M$ $
(yQ
5`
template < typename T > {u7##Vrgt8
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const $ &5w\P
{ g1DmV,W-Q
return l(t) = r(t); T+"f]v
} 8F;>5i
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。 zIQzmvf
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 _BnTv$.P
E]^5I3=O
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 /I&wj^
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: _17|U K|N
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 e^).W3SK]
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Z+s%;f;
最后的布局是: @-.? B
Add Z\X'd_1!
/ \ qZ2&Xw.{1
Divide 5 ScnY3&rc
/ \ toa-Wa{
_1 3 $%2_{m_K:p
似乎一切都解决了?不。 .R44$F
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。 LR)&
[{Kk
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。 ']51jabm
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: #;9H@:N
|oKu=/[K
template < typename Right > !7lj>B A>
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const WbjF]b\
Right & rt) const #/J
'P[z
{ upn8n vy4(
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8?TKN~ja
} U/MFhD(06
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ateUpGM QU
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。 q/@dR{-
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。 [_DPxM=V
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。 Xer@A;c
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。 (4~WWU (iT
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? K6\` __mLf
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: 34C``i
W|Ldu;#
template < class Action > Iur9I>8h
class picker : public Action $&-5;4R'0
{ f%fa{
public : [p;*r)f2}
picker( const Action & act) : Action(act) {} ft5DU/%
// all the operator overloaded ~P1_BD(
} ; Unl?fXI
='Oj4T
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。 pV`$7^#X
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: ~2%3FV^
2JO-0j.
template < typename Right > F+=urc>w
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const eO5ktEoJ
{ \tt'm\_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); cFfTYP9
} UKB_Yy^Y
)y50Mb0+
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > &H;8QZ8uw
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。 `bgb*Yaod
vP]9;mQ
template < typename T > struct picker_maker (}H ,ng'4
{ y,C!9l
typedef picker < constant_t < T > > result; >Gd.&flSj
} ; U ^#?&u
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > U~is-+Uq
{ Y^lQX~I2{
typedef picker < T > result; swr"k6;G
} ; 2bQ/0?.).-
")\aJ8
下面总的结构就有了: W}gVIfe
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。 lJ/6-dP
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。 _x\m|SF_g
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 qb7^VIo%c
至此链式操作完美实现。 k&Jo"[i&WO
)LFD6\z1pl
R$0U<(/
七. 问题3 t{(Mf2GR1
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。 0<P(M: a
-q2MrJ*
template < typename T1, typename T2 > $adq7
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const mZoD033H
{
h)B!LAr
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); >q|Q-I~gs
} PZ]5Hf1"
i.@*tIK
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: _EKF-&Q6
c cr" ep
template < typename T1, typename T2 > zGs|DB
struct result_2 qpgU8f
{ 70`M,``
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; sco
uO$K
} ; "Gh#`T0#a
)+GX<2_
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? ,VG9)K1K
这个差事就留给了holder自己。 Q]i[.ME
f)gGH'yOQ
6o
lV+
template < int Order > *,jqE9:O
class holder; 5Bj77?Z
template <> O)<r>vqe}
class holder < 1 > 9".Uc8^p/F
{ )
hdgz$cl
public : :uR>UDlPX
template < typename T > gE=Wcb!
struct result_1 &t[|%c*D&
{ gHH&IzHF
typedef T & result; rt;gC[3\
} ; )+B=z}:Nfz
template < typename T1, typename T2 > 7 6*hc
struct result_2 `i4I!E
{ &!#2ZJ}{
typedef T1 & result; [f(uqLdeM
} ; ,?w!5N;iRO
template < typename T > ![Hhxu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7K !GK
{ /,t|
!)\]
return (T & )r; Em9my2oE
} *^6k[3VY
template < typename T1, typename T2 > nOuN|q=C
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 2mOfsn d@
{ AO8:|?3S
return (T1 & )r1; 0#
UAjT3
} P%jkKE?B4
} ; [Yoa"K
Ltg-w\?]
template <> 7 s-`QdWX
class holder < 2 > y[p6y[r*
{ Bfn]-]>sD
public : CRd_}
template < typename T > -&7=uRQk
struct result_1 Ps |QW
{ "o<D;lO
typedef T & result; _DrnL}9I7
} ; y3AL)
template < typename T1, typename T2 > :+1bg&wQ
struct result_2 JOgmF_(>Z
{ ])68wqD
typedef T2 & result; -_w~JCx
} ; p}r yKW\cJ
template < typename T > s#`cX0L)
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1J+3a-0
{ 59/Q*7ZJ
return (T & )r; !xJFr6G~8
} q|/!0MU"
template < typename T1, typename T2 > {V=vnL--
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const o]
S`+ZcV
{ Lqq*Nr
return (T2 & )r2;
B,:23[v
} -MUQ\pZ
} ; Ol_/uy1r[
Tu'E{Hw
"1CGO@AXS
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> >。 R>` ih&,)
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 8|Q4-VK<!
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 5bF5~D(E
JN)"2}SE
return l(i, j) = r(i, j); B
;;cbY
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) y8}"DfU.
MsSoX9A{D
return ( int & )i; +:b(%|
return ( int & )j; LP8o7%sv!
最后执行i = j; p0?o<AA%O
可见,参数被正确的选择了。 AV9:O{
P)4x
89ZDOji?O
i"KL;t[1
AwA1&mh
八. 中期总结 )m)h/_
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: vN'VDvVM
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 O} (E(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。 |#!eMJ&0
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ./2Z?,
]+FX$+H/A0
#fJwC7 4
KgL<}=S
+i2YX7Of
rR3m'[
九. 简化 EF0Pt
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。 TIKEg10I
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 fWqv3nY^
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: <b3x(/
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ;cnnqT6
+-*/&|^等 ,q/tyGj
2. 返回引用。 G)4ZK#wz
=,各种复合赋值等 ipgN<|`?@
3. 返回固定类型。 k`{RXx
各种逻辑/比较操作符(返回bool) .59KE]u
4. 原样返回。 K%k XS
operator, aViJ
5. 返回解引用的类型。 4|I7:~
operator*(单目) <e$5~Spc
6. 返回地址。 ^7J~W'hI
operator&(单目) xNocGtS
7. 下表访问返回类型。 5+J64_
operator[] t*5z1T?
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 @G7w(>_T3
operator<<和operator>> qZ `n Zi
YLD-SS[/>
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 .ou!g&xu
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Smi%dp.
H^]Nmd8Q)
template < typename Left > ce 7Yr*ZB
struct value_return n.=e)*
{ o",f(v&u%
template < typename T > Tyg$`\#
struct result_1 /h1dm,
{ 8Pl+yiB/o`
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; w++B-_
} ; ^=aml
Tz+HIUIxF
template < typename T1, typename T2 > $,xtif0
struct result_2 -[i40
1
{ ~| 4U@
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; p} t{8j>
} ; V=G b>_d
} ; pil0,r
$D
)< &B