一. 什么是Lambda )-"L4TC)
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 c] R![sa
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, :{uUc
0_pwY=P
ZDmk<}A-U
R.`J"J0/~
class filler H&IP>8Dk
{ :Qp/3(g e
public : 3A}8?
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Du4#\OK
} ; ^Jc0c)*
6b01xu(A[
Y1+lk^
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: =xet+;~ji
Zs|sPatV<
,VsCRp
13kb~'+&r
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); z))[Lg
XJ?z{gXJ
+`3ZH9
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 -y*+G&
(UT*T
.T-p]9*p
(
+hI
二. 战前分析 8N_rJ)f
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。 cGp 6yf
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 "a{f?
.X.
becQ5w/~
Cjk AQ(9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ;<<IXXKU
/* --------------------------------------------- */ S$On$]~\"
vector < int *> vp( 10 ); 2`m _"y
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); @il}0
/* --------------------------------------------- */ CW YJ<27v{
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); B[X6AQj}d
/* --------------------------------------------- */ I|;#VejX
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 94@!.11
/* --------------------------------------------- */ yuX0Y{:I
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); DP]|}8~L
/* --------------------------------------------- */ n7uD(cL
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); g(H3arb&
vJUB; hD
[KJL%u|8/
Z+4Oaf!
看了之后,我们可以思考一些问题: t O>qd#I
1._1, _2是什么? LXV6Ew5E
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。 (Z +C
2._1 = 1是在做什么? ,SwaDWNO
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。 <);u]0
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。 }TvAjLIS6
QLG,r^
QjU"|$
三. 动工 }>U03aa!
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: "iGc'?/+
-h`0v
.&.CbE8K[
our5k
template < typename T > qJj5J;k
class assignment 9V\`{(R
{ 0O4mA&&!oK
T value; EtGr&\,
public : .r'.5RI A
assignment( const T & v) : value(v) {} \0*LfVr;P
template < typename T2 > rRel\8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } V= PoQ9d
} ; ^]gl#&"D
{'kL]qLg
pBkPn+@
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 '~J6mojE
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 3)\qts5
_4Pi>
Hefqzu
{!h[@f4
class holder 3om-,gfZ
{ .R5z>:A
public : j(JI$
template < typename T > Y,~]ecI
assignment < T > operator = ( const T & t) const <~w#sIh
{ Z5A<TC/:
return assignment < T > (t); d*HAKXd&:j
} JH#+E04#
} ; k<H&4Z)d9
iwJgU
b
^)~M,rW8c
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: %C<eR_
UUq9UV-h
static holder _1; yr'`~[oSCy
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 kq-RM#Dj:
Q2JjBV<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); a mgex$
而不用手动写一个函数对象。 U+
=q_ <
rfoCYsX'
o9>X"5CmX
yI<'J^1C[
四. 问题分析 I|H mbTXa
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。 i,T{SV
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。 "o^zOU
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 [~wcHE
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ]3'd/v@fT
下面我们可以对这几个问题进行分析。 M(f'qFY=K
ps{(UYM=b
五. 问题1:一致性 qc F{Kex"
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?| r_m&Jl@4
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 V-3]h
ba,
?M2@[w8_
struct holder ?dYDfyFfB
{ ^*OA%wg3=h
// E?uv&evPK7
template < typename T > CjGI}t
T & operator ()( const T & r) const A )cb
{ H<"j3qt
return (T & )r; _guY%2%yR
} (k~c]N)v
} ; v*LL7b0A
t {}1f
这样的话assignment也必须相应改动: N}=-+E|
RI=B(0A
template < typename Left, typename Right > /xzL!~g`6<
class assignment RP9||PFS~~
{ |IvX7%*]~
Left l; F/Xhm91^
Right r; &Is%I<'o
public : vI@8DWs
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} we9AB_y
template < typename T2 > JiR|+6"7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } l?;S>s*\?
} ; 5Fl|=G+3@g
:.,I4>b2
同时,holder的operator=也需要改动: ghl9gFFj
.^23qCs
template < typename T > AdNsY/ Y(
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const nj[6c
{ 4]GyuY
return assignment < holder, T > ( * this , t); K VCS(oN
} Z"jo
xZ
N.?Wev{
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。 ~nQb;Bdh%
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ~08v]j
q
p=zm_+=
return l(rhs) = r; i]v!o$7
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 .uP$M(?j
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类:
o&zV8DE_v
OZ6%AUot
template < typename Tp > z$NLFJvy_-
class constant_t tj3p71%
{ wHmEt ORo
const Tp t; R)=<q]Ms
public :
e_I 8Jj4
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} e(^O8
template < typename T > C1J'. !
const Tp & operator ()( const T & r) const -_3.]o/J
{ b%BwGS(z
return t; o>YRKb
} 2-4%h!
} ; qA30G~S
O_ cK4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 0U<9=[~q7@
下面就可以修改holder的operator=了 ?=l(29tH
So:89T
template < typename T > !v-(O"a
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const y}VKFRky
{ iq#Z\Y(
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); &Lw| t_y
} [o~w>,a
{f)p|)
同时也要修改assignment的operator() FD<~?-
1gC=xMAT
template < typename T2 > b+3pu\w`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ~VOmMw4HV
现在代码看起来就很一致了。 G4i&:0
4{Iz\:G:{/
六. 问题2:链式操作 .XmD[=
现在让我们来看看如何处理链式操作。 :X^B1z3X4
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 tua+R_"
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 L4!$bB~L-
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。 7;XdTx
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct _ AFgx8
jHd~yCq
template < typename T > pr2d}~q4{
struct result_1 Lv_>cFJ}[
{ }IV7dKzl
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; w*+rB p,f
} ; >QyMeH
u1uY*p
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: K"pfp !Y
1#'wR3[+
template < typename T > Xf0pQ]8\
struct ref r~sGot+sQA
{ L{42?d
typedef T & reference; G*QQpSp
} ; gC 4w&yL
template < typename T > it.l;L_nW
struct ref < T &> `27? f$,
{ Kl*##qw!
typedef T & reference; Y/ `fPgE
} ; G/y< bPQ
GXAcyOV
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 3laSPih[.
PtHT>
template < typename T > u$0>K,f
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 8S0)_L#S
{ w4OVfTlN
return l(t) = r(t); MV/JZ;55
} .JzO f[g5
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。
np~oF
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ISl'g'o
a^2?W
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 \^+sgg{
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 1}(g=S
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 -Xj+7}4
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Z#F2<*+Pe
最后的布局是: FOZqN K
Add ^}WeBU
/ \ QKVZ![Y!s
Divide 5 M4QMD;Ez
/ \ C}Khh`8@5.
_1 3 &t4j px
似乎一切都解决了?不。 htaB!Q?V
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。 k,r\^1h
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。 MW p^.
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: M?_VYK
NE(6`Wq`
template < typename Right > 4'{j'kuv
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const $tb$gO
Right & rt) const bC&_OU:
{ _+UD>u{
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); O9opX\9
} _h5@3>b3r
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 @A)gsDt9A
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。 [p]Ayo$~
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。 7c+u+Yet
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_9:gprf
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。 5SDHZ?h
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"c"sF\q
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: r`"
? K]rI
U'@_fg
template < class Action > d=xweU<
class picker : public Action m86w{b$8
{ 3i7n"8\$
public : Jx'p\*
picker( const Action & act) : Action(act) {} =Y89X6
// all the operator overloaded 8Uc#>Ae'_
} ; 5H<r I?
N^)L@6
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。 _$1W:!f4
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ><$hFrR!
f~E'0f_
template < typename Right > M'*
Y
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 0|d%@
{ qwnC{
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9#1lxT4%
} C[~b6UP
gvz&ppcG
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > )(,+o
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。 sR #( \
1(C%/g#"
template < typename T > struct picker_maker 8TuOf(qE
{ )u<sEF
typedef picker < constant_t < T > > result; Lx2.E1?@
} ; Y(<>[8S m
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > u+S*D\p<`
{ a?@j`@]ZR~
typedef picker < T > result; kRG-~'f%`
} ; 37{mhU
O"Ar3>
下面总的结构就有了: 0e3aWn
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。 r]2}S=[
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。
stpa2z
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 W<kJ%42^j
至此链式操作完美实现。 qdOaibH_
P E.^!j
.4U::j}
七. 问题3 #VD[\#
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。 DUa`8cE}
KbSIKj
template < typename T1, typename T2 > >?I[dYzut
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const C7,Ol0`v
{ /f_lWr:9l
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); U2!9Tl9".
} {ImZ><xe/
>`u} G1T\
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: MLaH("aen
eFbr1IV
template < typename T1, typename T2 > g3j@o/Y
struct result_2 WFy90*@Z
{ v2dC na\
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; jiz"`,-},O
} ; )j!22tlL
NfKi,^O
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? %KRAcCa7
这个差事就留给了holder自己。 Vhv<w
O Ct
]{Iy<
Z&YW9de@
template < int Order > u|APx8?"o
class holder; N}Z"$4
template <> A{Pp`*l
class holder < 1 > $5|/X&"O)/
{
>OmY
public : +ImPNwrY
template < typename T > D.4=4"qMi
struct result_1 :*#I1nb$
{ p-r}zc9@
typedef T & result; 'ym/@h7h
} ; ^#p Su
template < typename T1, typename T2 > *r$(lf
struct result_2 StA5h+[m
{ wF[^?K '
typedef T1 & result; jbGP`b1_
} ; %YA=W=Yd
template < typename T > 4w\cS&X~C
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 4)i/B99k
{ /N]?>[<NW
return (T & )r; b$H{|[
} 1]m]b4]
template < typename T1, typename T2 > K6{{\r
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const o%5^dX&[
{ 2t*@P"e!
return (T1 & )r1; "\U$aaF
} o"J}@nF
} ; \XhzaM
wSBDJvI
template <> v4DF
#O
class holder < 2 > ZWxq<&Cg
{ rhsSV3iM
public : Z@=#ry
template < typename T > l+Uy
struct result_1 :6./yj(
{ d7qHUx'=z
typedef T & result; X~G!{TT_x6
} ; &%$r3ePwc
template < typename T1, typename T2 > 2mWW0txil
struct result_2 `)/G5 fB
{ /T!S)FD\/v
typedef T2 & result; |#Z:v1]"
} ; '/J}T -,Z
template < typename T > a$l
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const +K])&}Dw
{ inBBU[Sl
return (T & )r; D}r,t_]Eb
} +x\b- '
template < typename T1, typename T2 > ng;,;o.
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const lrPiaSO`I
{ Wf +j/RxTi
return (T2 & )r2; 5V Dqx@(
}
%tT&/F
} ; 5^~%10=
}PTYNidlR
RHZ5f0b4L
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> >。 ri<E[8\
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 1D sgU6"
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 7loIX Qw
!'Q/9%g
return l(i, j) = r(i, j); s+8
v7ZJ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) q["CT&0
$*tq$DZ4&
return ( int & )i; %qfql
return ( int & )j; mx y>
最后执行i = j; zB kS1qMn
可见,参数被正确的选择了。 Q-k{Lqa-
mFC0f?nr
mzLDZ#=b
I9-vV>:z
Y9F!HM-`
八. 中期总结 |W];8
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[H3b}
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 hiZE8?0+~N
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 eQbDs_
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor q90eB6G0g
L1
1/XpR
(iXo\y`z
N:[22`NP
T0J"Wr>WY
M.iR5Uh
九. 简化 {f3&s4xj=
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。 VHGOVH,
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Hr |De8#f
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: k>I[U}h
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 9=p^E# d
+-*/&|^等 })rJU/
2. 返回引用。 B`3RyM"J @
=,各种复合赋值等 :Y`cgi0vkd
3. 返回固定类型。 ![YLY&}s
各种逻辑/比较操作符(返回bool) #Cks&[!c
4. 原样返回。 "E =\Vz
operator, lS&$86Jo(
5. 返回解引用的类型。 'yu M=Pb
operator*(单目) n>T1KC%
6. 返回地址。 484lB}H
operator&(单目) mojD
7. 下表访问返回类型。 Yj99[
c#]
operator[] z;yb;),
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 !r]elX
operator<<和operator>> }>Gnpc
P~$FgAV
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。 {h5 S=b
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ;O5p>o
bU9B2'%E
template < typename Left > ;gfY_MXnF
struct value_return JDrh-6Zgj
{ RLBjl%Q>
template < typename T > PYX]ld.E
struct result_1 m22M[L(q
{ 28J
;9
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 4)./d2/E
} ; x;ym_UZ6e
H7bdL 8/
template < typename T1, typename T2 > iTJSW
struct result_2 t>p!qKrE'J
{ g"gh2#!D
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; GInU7y904
} ; teh$W<C
} ; ij&_>
@| kBc.(]
$Ay
j4|_-
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 02OL-bv}HS
__<