一. 什么是Lambda 7u\^$25+h
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 5x4JDaG2
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, 49_b)K.tB
] 2FS=
"]5]"F 4]
hRxR2
class filler )"A+T&
{ C#>c(-p>RC
public : zWB>;Z}
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} N}VKH5U|
} ; 3HFsR)
RH6qi{)i!
98Pt&C? -B
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: a,M7Bbx
<G\q/!@_
O)`R)MQ)
2@:Go`mg
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 5"^$3&)
6/.-V1*O
#Cvjv;
QwY
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Bz9!a k~4
8_8R$=V
?J6J#{LRd
Z!~~6Sq
二. 战前分析 sh:sPzQ%Jv
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。 ga6M8eOI
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 ~e ]83?
m}Kn!21
5RI"gf
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !95ZK.UT
/* --------------------------------------------- */ 5R/k -h^`
vector < int *> vp( 10 ); ~WehG<p v[
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); vkASp&a
/* --------------------------------------------- */ HeNg<5v%Y
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 1 nX/5z_U
/* --------------------------------------------- */ vitmG'|WG
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ,>`wz^z
/* --------------------------------------------- */ D$I7Gz,w{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); QP >P
/* --------------------------------------------- */ ~H7m7
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); .1[K\t)2
(.m0hN!~u
m:)v>v u
DZilK:
看了之后,我们可以思考一些问题: "S_t%m&R
1._1, _2是什么? ygWo9?
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 oOmPbAY
2._1 = 1是在做什么? qOV#$dkY
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。 ,N?~je.
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。 #fRhG^QKp
4nXS}bW f
m/Q@ -
三. 动工 f,k'gM{K
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: &LwR9\sh
+I;b,p
:hwZz2Dhi
xCEEv5(5
template < typename T > 7Xw;TA
class assignment # ~}
26
{ bezT\F/\
T value; uv/I`[@HK8
public : F(Pe@ #)A
assignment( const T & v) : value(v) {} Jj8z ~3XnJ
template < typename T2 > !\z:S?V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; }
B ;9^
} ; _ohZTT%l
V ;
Yl:*
z\sy~DM;>
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 8G6PcTqv"
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 0gL]^_+7
x$[<<@F%
\&NpVH,-
.a8N 5{`
class holder J3Qv|w[3Y
{ F@& R"-
public : 'u@
)F`
template < typename T > <IC=x(T
assignment < T > operator = ( const T & t) const 26G2. /**<
{ SsIy ;l
return assignment < T > (t); 1y2D]h /'
} {Uz@`QO3
} ; 9gZMfP
C},;M@xV
w-C~
Ik
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: TUw^KSa
u}\F9~W-{
static holder _1; }/nbv;)
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 X};m \Bz
me_DONW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); wc*5s7_
而不用手动写一个函数对象。 j&6,%s-M`a
mSp-
*`mPPts}
zH0%;
o}
四. 问题分析 [ >O4hifq
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 9z$]hl
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。 WS/^WxRY
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 n#uH^@#0
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 +iz5%Qe<f
下面我们可以对这几个问题进行分析。 5Q#;4
J*o :RnB
五. 问题1:一致性 IL 'i7p
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?| y>Zvos e
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 e6z;;C@'G
lM86 *g 'l
struct holder K_{f6c<
{ HJhPd#xCW
// 11glFe
template < typename T > %<lfe<;^t
T & operator ()( const T & r) const (%}T\~`1z#
{ 0 #pjfc `:
return (T & )r; A[oLV"J6x5
} W$B&asO
} ; rbiNp6AdL
|s-q+q{|
这样的话assignment也必须相应改动: r(y1^S9!8
!rZO~a0
template < typename Left, typename Right > |R8=yO%(
class assignment +0rMv
{ T]Gxf"mK
Left l; dIQ7u
Right r; XKp.]c wP
public : ~=h]r/b< U
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} %jdV8D#Q
template < typename T2 > @kvgq 0ab
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } $#2ik~]>
} ; )IPnSh/<
QWH1xId
同时,holder的operator=也需要改动: 8
!Pk1P
'(mJ*Eb
template < typename T > pisk v[
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const sOg@9-_Uh
{ S(9Xbw)T
return assignment < holder, T > ( * this , t); [HI&>dm=$
} ]wh8m1
LTj;e[
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。 bN$`&fC0
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 )f-u x5
jCDZ$W89
return l(rhs) = r; MH[Zw$
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。 C9E l {f
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Rq gH,AN
|:$D[=
template < typename Tp > VgtWT`F.I
class constant_t 1@q~(1-o
{ vDZhoD=VR
const Tp t; R$'4 d
public : %lNv?sWb
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _I8L#4\(=
template < typename T > E/|]xKG
const Tp & operator ()( const T & r) const 5tT-[mQ*
{ agQzA/Xt
return t; G;_QE<V~_
} iwWy]V m7
} ; AVVL]9b_2
A"x1MjuqLM
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 &,4]XT
下面就可以修改holder的operator=了 ^wPKqu)^
lwYk`'
template < typename T > oEbgyT gB
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const oJe9H <
{ P1;T-.X~&
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); g9|B-1[
} L@2%a'
#c@Dn.W
同时也要修改assignment的operator() \?c0XD
^8$CpAK]M
template < typename T2 > }$!bD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Ni*f1[sI<
现在代码看起来就很一致了。 o"~ODN"L
Y$b4Ga9j
六. 问题2:链式操作 Zs<}{`-
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Bzn{~&i?W:
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 `<kHNcm
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 <8Ek-aNNt
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 xy>wA
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Z.Lm[$/edn
CZRrb 84
template < typename T > =Xh^@OR
struct result_1 cE>K:3n
{ ^
AxU
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ]vJZ v"ACn
} ; O&l(`*P
*')BP;|V`
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: p8K4^H
hm3,?FMbq
template < typename T > .NcoST9a
struct ref jIJVl \i]
{ 4v9zFJ<Z
typedef T & reference; 4@OnMj{M
} ; G7 >
template < typename T > LO]D
XW 9
struct ref < T &> Qw4P{>|Y
{ V#[I/D
typedef T & reference; UMwB. *
} ; "r @RDw
r/1:!Vu(
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 0#4_vg .
;l>
xXSB7$
template < typename T > F+PIZ%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const _a@&$NEox
{ (rO_Vfaa
return l(t) = r(t); @;kw6f:{d
} pg~vteq5
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。 ?g%5 d
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 /:v+:-lU
(-*NRY3*
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 tagkklJ~
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: t+Kxww58
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 C-d|;R}Ww
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 +jYO?uaT
最后的布局是: 8^M5k%P
Add =BQM(mal
/ \ (A O]f fBU
Divide 5 ,/6V ^K
/ \ r9z_8#cR
_1 3 6~zR(HzV{
似乎一切都解决了?不。 ,\!4A
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。 w{k8Y?
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。 5,`U3na,
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: EJ{Z0R{{
-cs
4<
template < typename Right > j*f%<`2`j
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const kB1]_v/
Right & rt) const &[,g`S0
{ UfjLNe}wA
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;~T)pG8IS
} },'hhj]O
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 6cz%>@
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。 { 6Lkh
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。 ~r;da 9
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。 5MV4N[;
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。 _d6mf4M]5
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? ~K% ]9
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: $l-|abLELz
f gI.q
template < class Action > %Q5D#d"p`
class picker : public Action uXq?Z@af|f
{ 9XWF&6w6yf
public : h
Vz%{R"
picker( const Action & act) : Action(act) {} c:I1XC
// all the operator overloaded yveyAsN`B
} ; H6E@C}cyM
,Hh7'`
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 lnL&v'{
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 9qD/q?Hh$
vLn<=.
template < typename Right > XSt5s06TM
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const mNN,}nHu
{ ZiM#g1;
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); $_ub.g|
} '7o'u]
@_^QBw0
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > %Y%+K5;AZ
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 }u
cqzdk#2
4 q}1
template < typename T > struct picker_maker 1<A+.W
{ WI9'$hB\
typedef picker < constant_t < T > > result; )?~3fb6^
} ; y@]4xLB]
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > sN|-V+7&j
{ >C"cv^%c
typedef picker < T > result; Hb'fEo r
} ; 9(lIz{
lMAmico
下面总的结构就有了: !jY/}M~F1
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。 heoOOP(#
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。 SFoF]U09
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 $de_>
至此链式操作完美实现。 (Tp+43v
8=gr F
:Q2\3
七. 问题3 8~RUYsg
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。 Dntcv|%u
$D5[12X
template < typename T1, typename T2 > +JZ<9,4
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ju0]~,
{ T[xGF/
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); bL_s[-7
} Uy^Hh4|
AKx\U?ei7
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: dgd&ymRm
:
{l{p
template < typename T1, typename T2 > ?I}jsm1)
struct result_2 s=#IoNh
{ qM3^)U2
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; F`8A!|cIy
} ; RyD2LAf)J
G+4a%?JH
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 0K>rc1dy
这个差事就留给了holder自己。 9F0B-aZ
n4YEu\*
^T'+dGU`
template < int Order > M_MiY|%V/K
class holder; mmY~V:,Kd
template <> JiZ9ly(G
class holder < 1 > ;nLQ?eS\
{ Z]$yuM
public : !? ?Cxs'
template < typename T > lnbw-IE!
struct result_1 :d/Z&LXD
{ qA9*t
typedef T & result; 5{#9b^
} ;
&k\7fvF
template < typename T1, typename T2 > z QoMHFL3
struct result_2 Xfx(X4$ 9
{ .
)Fn]x"<
typedef T1 & result; H:U1#bQQ:
} ; ;G!X?(%+
template < typename T > meR%);\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const v|_?qBs"
{ l,h#RTfry
return (T & )r; I OF~V)8k=
} HG@!J>YaD
template < typename T1, typename T2 > uI%h$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 5<IUTso5h
{ +>z/54R
return (T1 & )r1; i3: sV 5
} +x
G] (?
} ; .)|jBC8|}
Y8.0R-:ZAN
template <> ~FZLA}
class holder < 2 > St|sUtj<r
{ [lS'GszA
public : |:!#kA
template < typename T > -iBu:WyY$
struct result_1 ~/3cQN^
{ 1}S_CR4XBs
typedef T & result; Y+upZ@Ga
} ; )%X\5]w`
template < typename T1, typename T2 > ;}f%b E
struct result_2 -2> L*"^
{ Uo^s]H#:
typedef T2 & result; 8i-?\VZD
} ; TW3:Y\ p
template < typename T > wgLS9.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const LU?#{dZ
{ CvQ LF9|
return (T & )r; 1Od:I}@
} ]*i>KR@G
template < typename T1, typename T2 > VmBLNM?
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const }E>2U/wpXY
{ Km+29
return (T2 & )r2; fhH* R*4
} $
}B"u;:SU
} ; H/)=
A
,LAA$
8H;TPa
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> >。 DX$`\PA
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: D:n0dfPU
首先 assignment::operator(int, int)被调用: [FiXsYb.8
q6j]j~JxB
return l(i, j) = r(i, j); /unOZVr(
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Q2rZMK
m
7 Fz&bN
return ( int & )i; )QBsyN<x6
return ( int & )j; 3J'a
最后执行i = j; Y#]Y$n
可见,参数被正确的选择了。 W:rzfO.`Z
DT 9i<kl
C
2oll-kN
^D.B^BR
!+>yCy$~_
八. 中期总结 -vjjcyTt
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: JAB]kNvI
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 }=f}@JlFB
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 <V6#)^Or
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor JH)&Ca>S
N`iK1n4X
X]1ep
X/7: *
cK-!Evv
zLxWyPM0;
九. 简化 ?erDP8
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 2lp.Td`{
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 w-\fCp )
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: nosEo?{
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 m};_\Db`
+-*/&|^等 -w@fd]g
2. 返回引用。 PA5g]Tz
=,各种复合赋值等 c,D'Hl6(%
3. 返回固定类型。 "{V,(w8Dt
各种逻辑/比较操作符(返回bool) [dzb{M6_
4. 原样返回。 b7>;UX
operator, 2>EIDRLJ-
5. 返回解引用的类型。 ~{5%~8h.0r
operator*(单目) Fa/i./V2
6. 返回地址。 j zPC9
operator&(单目) CJu;X[6
7. 下表访问返回类型。 fA3
operator[] yS3x))
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Sl$dXB@
operator<<和operator>> pp{);
U-lN_?
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。 uq 6T|Zm
例如针对第一条,我们实现一个policy类: T.1z<l""
6=')*_~/
template < typename Left > lA]u8+gXd
struct value_return d!gm4hQhl
{ Q|v=W C6
template < typename T > V_
]4UE
struct result_1 Z].>U!7W
{ T8Khm O
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; a"&Z!A:Z=
} ; sztnRX_
Mys;Il"
template < typename T1, typename T2 > L>L4%?
struct result_2 eq@ v2o7
{ olYSr .Q`
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; Vy/g;ZPU1
} ; +s S*EvF
} ; K^w9@&