一. 什么是Lambda 3$"/>g/
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 y3yvZD
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, W@B7yP7Rz
i=8UBryr'e
-3mgza
^'B-sz{{
class filler u3Do~RyL[
{ 7C5pAb:
public : X&\o{w9%
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} JIUtj7HQ
} ; m4gU*?
\n@V-b
TmiWjQv`
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: M7VID6J.
+5*vABvCu
y`b\;kd
8D2yR#3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); wZv-b*4
n+quSF)
,#aS/+;[)
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 O3ZM:,.
Za!w#j%h
1D$::{h
u)7
]1e{
二. 战前分析 baIbf@t/
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。 l7Lj[d<n
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 >h[(w
sA\L7`2H
gPUo25@pn*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Ea4
* o
/* --------------------------------------------- */ |yAK@Hl'
vector < int *> vp( 10 ); 9-G b"hr
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); B+Q+0tw*i
/* --------------------------------------------- */ =xBT>h;
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); hwDXm9
/* --------------------------------------------- */ p!GZCf,
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Y*\6o7
/* --------------------------------------------- */ a*Jn#Mx<M
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Uk02IOXQ
/* --------------------------------------------- */ ?48AY6
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); !
IgoL&=
K_##-6>
H56
^n<tg
Vr\Q`H.
看了之后,我们可以思考一些问题: .\)k+ R
1._1, _2是什么? qsvpW%?aE
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。 OT+ Ee
2._1 = 1是在做什么? =43d%N
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。 HZuiVW8
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。 fM{1Os
A^cU$V%?W
leIy|K>\m
三. 动工 1$OVe4H1
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: "<*nZ~nE)
8;8YA1@w
{,F/KL^u
+',^((o
template < typename T > fD(7FN8
class assignment QmHwn)Ly
{
7&px+155
T value; Q!x`M4
public : tO4):i1
assignment( const T & v) : value(v) {} T\cR2ZT~
template < typename T2 > j Ii[
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } vu ?3$
} ; U,38qKE
a6qwL4
.}~$1QKS
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 oc((Yo+B
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment WCoF{*
HNFhH0+^
4$F:NW,v:)
shy
class holder mw Z'=H
{ 7y;u} 1
public : yIa[yJq
template < typename T > nIR*_<ow
assignment < T > operator = ( const T & t) const +h|K[=l\
{ E\_W
return assignment < T > (t); v}f&q!
} )ZN(2z
} ; 'jN/~I
+/w(K,
363cuRP
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: Cv P`2S\
O!yakU+
static holder _1; r/^tzH's
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 0w'|d@*wV
}ymc5-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ;fj9n-
而不用手动写一个函数对象。
rWqkdi1
%P(;8sS
Kc-Y
Gxo#
!
四. 问题分析 n+X1AOE[L
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。 2J)74SeH
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。 [h^f%
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 C#ZhsWS!b
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Y=3X9%v9g
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ckAsGF_B~!
QP+c?ct}hF
五. 问题1:一致性 'xsbm^n6a&
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?| :cEd [Jm9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 'qdg:_L"
|GuKU!
struct holder ,7t3>9-M"
{ j=FMYd8$y
// M q76]I%
template < typename T > xkF$D:sP
T & operator ()( const T & r) const jzMhJ
{ 7TnM4@*f
return (T & )r; ([[)Ub$U
} /z..5r^,ZZ
} ; tK*%8I\s
>kt~vJI
这样的话assignment也必须相应改动: {ip=iiW2
#>@<n3rq
template < typename Left, typename Right > <Kh?Ad>N
class assignment ?_8%h`z
{ T.J`S(oI
Left l; y#&$f
Right r; [k!-;mi
public : ~."!l'a
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} lfXH7jL2~
template < typename T2 > 1 pa*T!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } nG!&u1*
} ; KlY,NSlQ
#NWZ k.S
同时,holder的operator=也需要改动: O>nK,.
ZGA)r0]
P`
template < typename T > mVa?aWpez
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const (QhGxuC
{
.V8/ELr]
return assignment < holder, T > ( * this , t); C:rRK*
} YW'{|9KnI
t'dHCp}
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。 (D0C#<4P
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 7U&5^s
)J
'`9%'f)
return l(rhs) = r; 3%_
4+zd
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。 txj wZ_p
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: o<Xc,mP
z Z@L4ZT
template < typename Tp > Y||yzJdC
class constant_t ,2RC |h^O,
{ 1P+Mv^%I
const Tp t; TNyK@~#m
public : f#'8"ff*1
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} |sA4:Aq
template < typename T > UCe,2v%
const Tp & operator ()( const T & r) const c"sj)-_
{ P#w}3^
return t; r hiS
} m$7x#8gF
} ; +fC#2%VnU
/_$~rW
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 8.*\+nH
下面就可以修改holder的operator=了 "|(rVj=
aUKh})B
template < typename T > UedvA9$&;
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const /!^L69um
{ o9_(DJ<{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); _Wm(/ +G_|
} ls [Ls
yB0jL:|a
同时也要修改assignment的operator() 's$A+8;L
NE$VeW+@
template < typename T2 > #=`FM:WH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } }l,T~Pjb
现在代码看起来就很一致了。 }5fU7&jA;3
0|.7Kz^
六. 问题2:链式操作 C<r(-qO{5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 B*-ToXQQr
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 mY$nI -P
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。 %y~`"l$-
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 >W>##vK
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct X*TuQ\T
L{cK^ ,
template < typename T > ^;0~6uBEJr
struct result_1 I(z>)S'7r
{ 9=Y,["br$_
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ^t\kLU
} ; \?bwm&6+r
R2Twm!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: -s9 Y(>
=nJOaXR0
template < typename T > g2+l@$W
struct ref XD;15a
{ Zk~nB}Xw
typedef T & reference; 0t5Q9#RY
} ; s,1pZT <E
template < typename T > a9yIV5_N
struct ref < T &> ArNur~
{ 2(c<U6#C'l
typedef T & reference; 4a(g<5wfI
} ; JK@izI
|HaU3E*R
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: aDm-X r
*]{9K
template < typename T > tU+@1~
~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 2"pE&QNd
{ }ZEfT]
return l(t) = r(t); ddUjs8VvJ
} `U{o:
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 {toyQ)C7
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 :)KTZ
l(h;e&9x
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 Ft3N#!ubl
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: O, bfdc[g4
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 5uQv
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 uvu**s
最后的布局是: (P
E#
Y(
Add Z:\;R{D
/ \ ?;0nJf
Divide 5 Bxn8><
/ \ pr0@sri@
_1 3 c[wQJc
似乎一切都解决了?不。 OoAr%
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 JVJ1Ay/be
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 j33P~H~
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: *=-__|t
Ee t+
template < typename Right > MZUF! B
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const pm'@2dT
Right & rt) const R$!;J?SS
{ GibggOj2Q,
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Gt\K Ln
} &=s|
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 6e$sA (a=i
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。 9B!im\]O
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。 s${T*)S@G
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 'k-u9
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 <|KKv5[
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ]MqH13`)A
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: w8m8r`h
@e.OU(Bf
template < class Action > jV,(P$ 5;
class picker : public Action V e$5w}a4
{ "oE^R?m
public : 2fj0 I
picker( const Action & act) : Action(act) {} /%ODJ1 M
// all the operator overloaded ,6EZb[;g^
} ; ^*cMry
3<zTkI
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。 ?z)y%`}
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: e'/
Z30z<d,j
template < typename Right > $L<_uqSk
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const I{?E /Sc
{ an$]IN
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); G*vpf~q?
} p:[`%<j0
?BHWzo!
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 1WUFk ?p
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。 *f0.= ?
)AnlFO+V
template < typename T > struct picker_maker zbIwH6
{ zJG x5JC
typedef picker < constant_t < T > > result; Oi
kU$~|
} ; jM3Y|}+
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > !_XU^A>
{ \pewbu5^
typedef picker < T > result; #FQm/Q<0
} ; Kh:#S|
;G%wc!
下面总的结构就有了: j$|Yd=
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。 G)tq/`zNw
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。 E1l\~%A
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 e~t}z_>F
至此链式操作完美实现。 A1k&`
|k
qSpa4W[
aiR|.opIb
七. 问题3 uJIRk$
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。 @ V7ooo!
-KIVnV=&m
template < typename T1, typename T2 > A<YZBR_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const U2[3S\@
{ (jo(bbpj
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 86^ZYh
} ]df9'\
NDIc?kj~
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: p(x1D]#Z[
^O$[Y9~*
template < typename T1, typename T2 > +]S;U&vQ
struct result_2 /8$1[[[
{ r.a9W?(E
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; o%4&1^ Vg
} ; m m J)m
<D;H}ef
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?
_A)_K;cz
这个差事就留给了holder自己。 d5sGkR`(
l|ZzG4]+l
9?}rpA`P
template < int Order > 0>~6Z
class holder; _V7^sk!
template <> -;@5Ua1uf
class holder < 1 > t5X^(@q4N
{ CJ}@R.Zy
public : /4"S}P>f
template < typename T > U3_yEvZ
struct result_1 }<\65 B$1
{ d,oOn.n&
typedef T & result; F"m}mf
} ; 3f:1D=f
template < typename T1, typename T2 > y1\^v_.^
struct result_2 3|83Jnh
{ t0asW5f
typedef T1 & result; t5jhpPVf
} ; ,3@15j
template < typename T > :|m~<'g
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const vY0V{u?J
{ S"KTL *9D
return (T & )r; ~\)&{'
} d'AviW>
template < typename T1, typename T2 > E9Xk8w'+
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /_k hFw
{ qh(-shZ4Du
return (T1 & )r1; UwL"%0u
} UB&S 2g
} ; rt@-Pw!B
-4^@)~Y
template <> WW\)B-}T
class holder < 2 > dnX`F5zd
{ ,[ J'!NC1
public : #Lxj
)
template < typename T > 0m+5Zn
struct result_1 ~g4rGz
{ Q5Ghki
typedef T & result; "PX3%II
} ; XM@-Y&c$A
template < typename T1, typename T2 > .f92^lu9
struct result_2 }_kI>
{ 5k%N<e``
typedef T2 & result; y8~)/)l&
} ; 6rN5Xf cS
template < typename T > }'.Sn{OWf
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const FvI0 J
{ PM@s}(
return (T & )r; VrGb;L'[
} .{]c&Ef+f
template < typename T1, typename T2 > 8{4D |o#O
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const $L#Z?76v
{ qiKtR
return (T2 & )r2; 5.K$
X$+7}
} G}dOx}kT
} ; Lq
$4.l[j
2W:?#h3
}b]y
0"
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> >。 Fx88R!
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: In9|n^=H@
首先 assignment::operator(int, int)被调用: jVFRq T%
CTbhwY(/
return l(i, j) = r(i, j); Tk#&Ux{ZJ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 1-]x
u FYQ^
return ( int & )i; zS"zb
return ( int & )j; Lc: SqF
最后执行i = j; p:Ld)U *
可见,参数被正确的选择了。 =|5bhwU]
|3T|F3uEX
pffw5Tc
ZLio8
MoR-8vnJ
八. 中期总结 _M]rH<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: f_P+qm
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Oi%~8J>
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @~U6=(+
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ]Y:
W[p
$?A Uk
dZiWVa
X3=Jp'p$h
Lz>{FOR
rNzhP*Fw
九. 简化 s)DNLx
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。 m6Cd^'J9^
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 E~@HC 5.M
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: l0_E9qh-i
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 [U7,\o4w
+-*/&|^等 OTHd1PSOu
2. 返回引用。 ^xNe Eb
=,各种复合赋值等 A&lgiR*ObT
3. 返回固定类型。 ,N|R/Vk$+E
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ;7`um
4. 原样返回。 rRG\:<a
operator, K#C56k q&
5. 返回解引用的类型。 D*r Zaqy
operator*(单目) f}ij=Y9
6. 返回地址。 pB7Z;&9
operator&(单目) 8YLZ)k'
7. 下表访问返回类型。 t5v)6|
operator[] GH+FZ (F
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ;s
B:s9M
operator<<和operator>> U W)&Eky
FjLv*K[#d
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 . N} }cJq
例如针对第一条,我们实现一个policy类: @NwM+^
f{5|}PL
template < typename Left > SU}oKii
/
struct value_return V #\ZS{'J
{ j nA_!;b
template < typename T > F t8h=
struct result_1 f5qHBQ
{ ,Yprk%JT
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Eno2<<
} ; DoB3_=yJ+
MG5Sn*(C
template < typename T1, typename T2 > W]Tt8
struct result_2 iK:qPrk-
{ -L50kk>h
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; P<JkRX
} ; e}yu<~v_
} ; }xlmsOHuI
D6!+
_3G)S+7#
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait +X(^Q@
3pjYY$'
下面我们来剥离functor中的operator() Jas|P}{=fT
首先operator里面的代码全是下面的形式: >rS<