一. 什么是Lambda 1Zi,b
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 25&J7\P*
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, ~D |5u\D-
SC-
$B
pm6>_Kz
(X?/"lC)
class filler q`G, L(
{ +/ &_v^sC;
public : "$}vP<SM
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} "XT"|KF|D
} ; 1\r|g2Z
:
9Fr3pRIJ
po}F6m8bX
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: 6AWKLFMV
{N#KkYH{"
DSj(]U~r
UYz0PSV=.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 8dlw-Q'S
@e'5E^
RAp=s
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 L=8+_0
;q1A*f\:#
R9!Uo
TET`b7G
二. 战前分析 2m~V{mUT!
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。 0JD~M\-!^a
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 FPJd|
_kY#D;`:r
W.w)H@]7m
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sQ8s7l0D
/* --------------------------------------------- */ 7K{Nb
vector < int *> vp( 10 ); 84{Q\c
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); /By)"
/* --------------------------------------------- */ mB0l "# F
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); _A0mxq
/* --------------------------------------------- */ UG<79"\i
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ]@M5&
/* --------------------------------------------- */ /o2P+Xr8"
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); .uE Pnzi
/* --------------------------------------------- */ 8j4z{+'TQ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); c1xrn4f@a
*;XWLd#
Y+3!f#exm
w2xG_q
看了之后,我们可以思考一些问题: u@3y&b
1._1, _2是什么? ov\HsTeZ
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。 o5n^!gi4
2._1 = 1是在做什么? GT J{h
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。 {bPV)RL:
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。 WW@d:R
rP(eva
!(t,FYeH
三. 动工 )}L??|#
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: BJS-Jy$-
|~
_'V "
^bLRVp1
9V.u-^o&
template < typename T > \` w4|T
class assignment O$ HBO
{ z7-k`(l4
T value; 2:LHy[{5
public : O0PJ6:9P
assignment( const T & v) : value(v) {} Gc$gJnQio
template < typename T2 > WX4;l(PL=
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } y4Er@8I`
} ; D\ H/
ayBRWT0
|0z;K:5s
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 "Y=+Ls(3o(
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment U'*t~x<
BtY%r7^o
UgN28YrW
-!({BH-M_
class holder OD=!&LM
{ #pHs@uvO
public : #*>E*#?t
template < typename T > ! <WBCclX
assignment < T > operator = ( const T & t) const ,Os? f:Y6
{ IooNb:(
return assignment < T > (t); n& $^04+i
} ; <Km3
} ; x|KWyfOS
3u33a"nL8
7}_!
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Y$-3v.
9,]5v+
static holder _1; ?tg
y|
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 *XWq?hi
\VSATL:]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); -@&1`@):{
而不用手动写一个函数对象。 6/ `.(fL1
:|1.seLQ
HvxJj+X9
~LQ[4h<J !
四. 问题分析 ;
"3+YTtp
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。 ~np,_yI
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。 ^S#t|rN
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 G9g6.8*&
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 },[;O^Do^{
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Pj?Dmk~
st'D
五. 问题1:一致性 .C]cK%OO
N
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?| 3^=+gsc
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 B%\g kl
4Tct
struct holder V|MY!uV
{ OJ4SbI
// Wn|&cG9
template < typename T > iK_c.b
T & operator ()( const T & r) const 5y4u5Tm-%
{ q|)Q9+6$+
return (T & )r; ]+H?@*b`
} Rb}KZ+o"Z
} ; ~]L}p
gBk5wk_j|
这样的话assignment也必须相应改动: sn{A wF%
Zt E##p
template < typename Left, typename Right > fMf&?`V
class assignment kJ)gP 2E
{ o0z67(N&g
Left l; W2wpcc
Right r; 4O{Avt7C
public : eXl=i-'
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} La[K!u\B
template < typename T2 > N6Z{BLZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ]|:uU
} ; vs&8wbS)
Dmdy=&G
同时,holder的operator=也需要改动: 8n?kZY$,
9j|gdfb%ml
template < typename T > <JI&
{1
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 1MA@JA:T
{ G.U5)4_^
return assignment < holder, T > ( * this , t); Rn+4DcR
} 1QJBb \
7k=fZ$+O
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 !#? kWAU
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 J0220 _
8rbG*6
return l(rhs) = r; ;Pb8YvG1$
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。 K\Eo z]?
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: {b!7
.Cd=
qS8B##x+=
template < typename Tp > >[a<pm!
class constant_t 'i>xf
^
{ EA{U!b]cU
const Tp t; v+1i=s2$
public : K6pR8z*?
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} D>wZ0p b-
template < typename T > :wgfW .w
const Tp & operator ()( const T & r) const -g`IH-B
{ Q* O<@
return t; v@u<Ww;=@
} O%1/r*
} ; mgkyC5)d
pvXcLR)L+3
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ^i_Iqph=
下面就可以修改holder的operator=了 }C(5 -7
3#.\
template < typename T > G5'_a$
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const W."f8ow
{ -)w]a{F
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); .`C
V^\
} @Z\~
S]2 {ZDP
同时也要修改assignment的operator() \3PE+$
-fIc4u[
template < typename T2 > w}<^l
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } NW.XA! =E)
现在代码看起来就很一致了。 ?~2Bi^W5
!0fI"3P@r
六. 问题2:链式操作 YL^Z4: p
现在让我们来看看如何处理链式操作。 XizPM N5a
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。 LD55n%|0`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。 m4/}Jx[
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。 p#H]\P'
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct v$$]Gv(
Q_}/ Pn$1
template < typename T > ; Zq/eiB
struct result_1 }e=e",eAT
{ A0#Y, 1
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; yr4ou
} ; mtw9AoO
g"y?nF.&F
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: BXTN>d27
aR:<<IF\
template < typename T > LV.&>@*
struct ref [b`6v`x
{ #@_1fE
typedef T & reference; ^Rmoz1d
} ; ,k*F`.[
template < typename T > _+zVpZ
struct ref < T &> 1!/-)1t
{ jp m#hH{R
typedef T & reference; |NEd@
} ; Bxv8RB
6GKT yN
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: J E)J<9gf
u7muaSy
template < typename T > Fp:3#Bh
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const :dDxxrs"
{ 97x%w]kV
return l(t) = r(t); @}eNV~ROu
} R$xY8+}V
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。 P^(.tr3t
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 &|=?acv
4 =Fg!Eu<
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 H7jTQW0rp5
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: j)6G7T|
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 WEVl9]b'e+
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^K*-G@B
最后的布局是: OROqT~6G
Add ylkqhs&
/ \ d;g-3Pf
Divide 5 (9z|a,
/ \ X,Zd=
_1 3 #{w5)|S#JD
似乎一切都解决了?不。 g8Aj `O
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。 D -iUN
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。 lJj&kVHb
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: MOLO3?H(
#HDesen
template < typename Right > !Mil?^
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const tw86:kYEz
Right & rt) const S.]MOB dt
{ q
u:To7
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); %Qd3BZ
} ZeTL$E[E}
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 -aN":?8(G
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 irmwc'n]
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 cUC17z2D
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 O#PwRud$
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。 ^^
j/
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? lEa W7j
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: acP
;(t
"7?t)FOo
template < class Action > !VNbj\Bp
class picker : public Action O*4gV }:G
{ H%~Q?4
public : 6JWGu/A
picker( const Action & act) : Action(act) {} U6a zhi&,
// all the operator overloaded SW=aHM
} ; *2#FRA#q
P#F_>GB
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。 7*g(@d
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: ?.j,Bq5At
2MT_#r_
template < typename Right > ?w8pLE~E
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const um}N%5GAa
{ Fd}<Uote3
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); UU"d_~pp
} =N;$0Y(g
&@"w-M
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 1:YAn
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 hy=u}^F.C
I1~G$)w#
template < typename T > struct picker_maker %Il ;B~t
{ tgfM:kzw
typedef picker < constant_t < T > > result; .f+9 A>
} ; RSFJu\0}N
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > jDJ.
{ Hz5;Ruw'
typedef picker < T > result; {NY]L==H
} ; N[]U%9[=2F
-g<cinNSp
下面总的结构就有了: tnNZ`]qY
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。 pr)K{~m]{<
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。 # a.\P.{L
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Kf&r21h
至此链式操作完美实现。 u
IF$u
6_Fpca3L
UMv"7~
七. 问题3 0tSA|->(
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 j]#wrm
jPj2
template < typename T1, typename T2 > KKV)DExv?
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 7_1W:-A7W
{ !HvGlj@(|
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); =s6E/K
} `M,Nd'5&|
xV?*!m$V%R
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: z6Fun
yX3PUO9
template < typename T1, typename T2 > phe"JNML
struct result_2
IF& PGo
{ Ys)+9yPPn
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Sr-|,\/O
} ; (
-xR7A
\!m!ibr
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? v^;-@ddr
这个差事就留给了holder自己。 N JXa_&_
jjYM3LQcdP
rXlx?GV
template < int Order > { _-wG3f|
class holder; ~.iA`${y%
template <> xp~YIeSg
class holder < 1 > 8IpxOA#jQ
{ HKM~BL
"X
public : M9h<}mh\
template < typename T > HUK"OH
struct result_1 (K<Z=a
{ {WIY8B'c
typedef T & result; <( cM*kV
} ; 3.B4(9:>,
template < typename T1, typename T2 > ]v<d0"2
struct result_2 aX:#'eDB
{ 5DmCxg
typedef T1 & result; #"|"cYi,
} ; iJEB?y
template < typename T >
dD :
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const T4Xtuu1
{ 4,gol?a
return (T & )r; G OH
}
,0BR-#
template < typename T1, typename T2 > U8EJC
.e&O
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ;5-R=e(KA
{ ]s f2"~v
return (T1 & )r1; zoJ_=- *s
} Wk7L:uK
} ; P=&'wblm?
2%`^(\y
template <> D!c1;IHZ
class holder < 2 > wwo(n$!\
{ j!6elzg
public : n9N#&Q"7m
template < typename T > $+A%ODv
struct result_1 'y'T'2N3
{ =U=e?AOG2
typedef T & result; [0h* &
} ; vYYS.ve
template < typename T1, typename T2 > dK[*
struct result_2 _{[k[]
{ MV%
:ES?
typedef T2 & result; M' a&
} ; ,Le&I9*%
template < typename T > sM#!Xl;
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const V h
Z=,m
{ .WBI%ci
return (T & )r; ;Fx')
} %~][?Y ><
template < typename T1, typename T2 > 3Gc ,I:\
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const TP{>O%b
{ S`ax*`
return (T2 & )r2; hO5K\QnRL
} "PZYgl
} ; |De!ti
}pbBo2
^2C0oX
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 XRClBTKF
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: x>U1t!'
首先 assignment::operator(int, int)被调用: b`(yu.{Jn
9`)w@-~~
return l(i, j) = r(i, j); +9F^F>mu
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) NFrNm'v
A2}Z
*U(;
return ( int & )i; |h#DL$
return ( int & )j; JZs|~@
最后执行i = j; ,k4z;
可见,参数被正确的选择了。 >2]Eaw&W
*i=?0M4S
w{_e"N
+A]&AkTw
#[gcg]6c
八. 中期总结 WF+bN#YJ
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: B
rez&3[
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 8O"x;3I9
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 kHt!S9r
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor &:;/]cwj
H arFo
@ChN_gd3!
mXxZM;P[
dNR7e
-&q