一. 什么是Lambda >jIn&s!}
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 J9]cs?`)
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, { ,c*OR
kVKAG\F
_]4p51r0
QOg >|"KL
class filler `m<O!I"A
{ 3Zd,"/RH
public : zN[&
iKf
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 457{9k
} ; 81s
}4
YT(Eh3ID
`=#jWZ.8m
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: A7+ZY,
#*_!Xc9f
0<~~0US
?-mOAHW0q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); $VF,l#aR
[NO4Wzc
r=Lgh#9S
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 pUqC88*j
3s%ND7!/
OQ?N_zs,
8^j~uH
二. 战前分析 j+ -r(lZ
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。 J({D~
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 YuknZ&Q
/R=MX>JA;
2m yxwA5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); eeCG#NFY5
/* --------------------------------------------- */ mi Q*enZi
vector < int *> vp( 10 ); X]@"ZV[
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); o|z@h][(l(
/* --------------------------------------------- */ R`a~8QVh&5
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ([<HFc`
/* --------------------------------------------- */ $B%KkD
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Ta?}n^V?;
/* --------------------------------------------- */ N2A6C$s
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); -W('^v_*
/* --------------------------------------------- */ ;; +AdN5
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ;j1E 6
`<se&IZE
KU` *LB:
SU~.baP?
看了之后,我们可以思考一些问题: ~i%=1&K&`
1._1, _2是什么? QWfSm^
t
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。 <O'U-.
Gc
2._1 = 1是在做什么? >rEZ$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。 naf ~#==vc
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。 Sf*v#?
13#ff
;Hk3y+&]a
三. 动工 S5TVfV5LI
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ? F
#&F
/v5A)A$7
8ex;g^e
V2T%tn;rp
template < typename T > JXU?'@QY
class assignment ,k4pW&A
{ 70 R6:
T value; =+j3E<w
public : %CiF;wJ
assignment( const T & v) : value(v) {} C-c'"FHq
template < typename T2 > P1LOj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } j%nN*ms
} ; f- 9t
xWzybuLp
m-
<y|3
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 a&b/C*R_
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment K}@rte
r]p3DQ
!9/`PcNIpy
QNMZR
class holder +8//mrL_/
{ %`5(SC].
public : uM[|>t
template < typename T > tpcB}HUv
assignment < T > operator = ( const T & t) const )x/#sW%)
{ Zc~7R`v7}
return assignment < T > (t); 8~C}0H
} }bS1M
} ; *GE6zGdN
}UW*[dCf>C
!s=$UC
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: gE\ ^ vaB
C
6
\
static holder _1; C][hH?.
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Y%"$v0D
bOr11?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); )9yQ
C
而不用手动写一个函数对象。 6J,h}S
T"Y#u
iLSUz j`
"{D/a7]lC
四. 问题分析 JL87a^ro
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。 J2VPOn
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。 ;`7~Q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 }/1^Lqfnz
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 GE!nf6>Km
下面我们可以对这几个问题进行分析。 %MHL@Nn>e
BNdq=|,+"
五. 问题1:一致性 U U_0@V<
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?| /=6_2t#vA
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 qco'neR"z
% E1r{`p
struct holder Ly2,*\7
{ Y0,{fw<
// 3?FY?Q[
template < typename T > $mM"C+dD
T & operator ()( const T & r) const nb/q!8
{ #0<pRDXj
return (T & )r; 2PSExK57
} '/HShS!d
} ; L1RD`qXu.
ct-Bq
这样的话assignment也必须相应改动: YM_ [
^aAs=KditO
template < typename Left, typename Right > fW2NYQP$:
class assignment > "F-1{
{ g3kbsi7_:
Left l; Gpxp8[ {
Right r; Q"FN"uQ}x
public : ivo><"Y(r
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} IwnDG;+Ap
template < typename T2 > S,:!H@~B
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 1w7tRw
} ; G^d3$7
/P,1KVQPh
同时,holder的operator=也需要改动: a8T9=KY^
cOP'ql{"
template < typename T > <<d #
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const d {U%q
d
{ ?pEPwc
return assignment < holder, T > ( * this , t); R&W%E%uj
} Lf%3-P
W'vek uM
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 jq)Bj#'7
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 _@B?
%W D^0U|
return l(rhs) = r; KU$,{Sn6@
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。 ^oPFLez56
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: /a32QuS
u|IS7>Sm
template < typename Tp > m^L !_~
class constant_t |E6_TZ#=
{ V6dq8Z"h
const Tp t; K9xvog
public : Q(w;
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} -hnNaA
template < typename T > {ax]t-ZwJ5
const Tp & operator ()( const T & r) const O)&W0`VY
{ 6inAnC@I
return t; )=GPhC/sw
} hev;M)t
} ; M2cGr
*bp09XG
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 V $I8iVGL
下面就可以修改holder的operator=了 ~ `}),aA
n32"cFPpT
template < typename T > B\R X
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const xRc+3Z= N
{ L,A+"
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); mTu>S
} |qe;+)0>K
^dLu#,;
同时也要修改assignment的operator() 4#>Z.sf
rtAPkXJFM
template < typename T2 > ~3M4F^
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } U:8]G
现在代码看起来就很一致了。 z0LspRaz
vW eg1
六. 问题2:链式操作 "[7-1} l
现在让我们来看看如何处理链式操作。 mmJnE
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 dz+!yE\f$
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。 RdD>&D$I
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。 `,SL\\%u
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ,*W~M&n"m
RN 4?]8
template < typename T > *_I`{9~'
struct result_1 %`k [xz
{ AR( gI]1
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; `l'T/F\
} ; `PAQv+EYz
|HT7m5tu4
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: QBXEM=
m2^vH+wD
template < typename T > >x*[izr/K
struct ref 9soEHG=P
{ XcT!4xG0
typedef T & reference; DqWy@7
a
} ; C~4SPCU
template < typename T > E0RqY3
struct ref < T &> {Ni]S$7
{ Ojz'p5d`>
typedef T & reference; Lqxhy s
} ; vrb@::sy0T
v\|jkzR5Y
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: nZnqXclzxn
TO89;O
template < typename T > V~*>/2+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const (U#,;
{ G@Z%[YNw
return l(t) = r(t); KF#^MEw%
} I1m[M?
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~%4:!Hr
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 dQSO8Jf
Pa0W|q#?X
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 k%gj
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: TaSS) n
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 OWrQKd
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^vM6_=g2E%
最后的布局是: F%a&|X
Add D"aK;_W@h
/ \ Htr]_<@
Divide 5 s9"X.-!
/ \ wbF`wi?
_1 3 er24}G8
似乎一切都解决了?不。 gmH`XKi\
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。 |Q)mBvvN
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。 xdbzpU
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: '.z7)n
@2.
:fK
template < typename Right > eE'>kP}
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const r
ezp7
Right & rt) const &&l
ZUR,`
{ L&s~j/pR
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); {1Cnrjw
} c-JXWNz
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 mZB:j]T
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。 7"2BZ
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。 0cKsGDm
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。 2;T?ry7
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。 ?bM%#x{e
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? Uf+y$n-
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: : 8>zo
bC+ZR{M
template < class Action > #!z-)[S.+
class picker : public Action E8Kk)7
{ y "+'4:_
public : j;uUM6
picker( const Action & act) : Action(act) {} >
"rM\ Q
// all the operator overloaded %[KnpJ{\
} ; nI?*[y}
@d{}M)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。 $!. [R}
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: r4[=pfe25
Tv7W)?3h
template < typename Right > K_Y{50#
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 2~hdJ/
{ jt}oq%Bf
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @1'OuX^
} Z?xaXFm_
&TRKd)w d
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > pD[&,gV$
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。 |-vyhr0
'fK=;mM
template < typename T > struct picker_maker [sG`D-\P[
{ *A!M0TK?i,
typedef picker < constant_t < T > > result; V C VqUCc
} ; < w}i
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > lwt,w<E$
{ !bLCha\
typedef picker < T > result; mY"Dw^)
} ; 6{i0i9Tb
`f}ZAX
下面总的结构就有了: !-T#dU
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。 'X+aYF}Ye
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。 Y_faqmZ9]
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 =>PX~/o
至此链式操作完美实现。 XOqHzft h6
dEXhn
qU6!vgM&
七. 问题3 gmu.8
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。 b/*QV0(
.T8^>z1/\F
template < typename T1, typename T2 > ,B;mG]_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const n%;qIKnIq\
{ "?k'S{;
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); bS:$VyH6
} GB `n
} %0w25
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: *{5}m(5F
`m1stK(PO
template < typename T1, typename T2 >
Rq| 5%;1
struct result_2 RgFpc*.T
{ M6cybEk`
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; n5xG4.#G
} ; dk]
(:~_#BA
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? pvt/{
这个差事就留给了holder自己。 7.NL>:lu
JYjc^m
H4v%$R;K
template < int Order > `4@`G:6BL
class holder; *tZ3?X[b
template <> |U1u:=[
class holder < 1 > BSy4
d>
{ 4V@0L
public : GPAC0K^p
template < typename T > vr47PM2al
struct result_1 "o;%em*Bc
{ ,agkV)H
typedef T & result; Jt8M;Yk
} ; ^+~$eg&js
template < typename T1, typename T2 > uq:'`o-1
struct result_2 uJ=&++[
{
ArX*3
typedef T1 & result; Jp)PKS
![
} ; Gg6cjc =dC
template < typename T > $+e(k~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {3vm]
{ 7m8:odeF
return (T & )r; 6"?#s/fk
} &C,]c#-+
template < typename T1, typename T2 > z}5'TV=^
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const @AG=Eq9<o
{ BI#(L={5
return (T1 & )r1; ?b^<Tny
} VasQ/
} ; cv_O2Q4,@
cP/( h
template <> <9=RLENmY"
class holder < 2 > QQHC
1
{ mMhe,8E&
public : _;(QMeR
template < typename T > 3joMtRB>;
struct result_1 a3Z()|t>
{ _["97>q
typedef T & result; Vyx&MU.-J
} ; jq/{|<0
template < typename T1, typename T2 > &xlOsr/n
struct result_2 d9
8pv%
{ v Ma$JPauI
typedef T2 & result; 71&`6#
} ; Eh_[8:dK
template < typename T > U/(R_U>=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const yCg>]6B
{
gAi}"};
return (T & )r; '?fn} V
} XnvaT(k7Y
template < typename T1, typename T2 > xi\uLu?i
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const )./'RE+(k
{ ^T@-yys
return (T2 & )r2; /_bM~g
} qn\>(&
} ; GWShv\c}
Q;1$gImFz
uqy~hY
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 9>@"W-
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 1G8t=IA%D
首先 assignment::operator(int, int)被调用: b;|^62
eP3 itrH(
return l(i, j) = r(i, j); :\1&5Pm]
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 9Bmgz =8
}S&SL)
return ( int & )i; L/cbq*L
return ( int & )j; %^E>~
最后执行i = j; `[1]wV5(5@
可见,参数被正确的选择了。 Md m(xUs
})w5`?Y
a-DE-V Uls
:Ws3+OI'm3
*KV]MdS
八. 中期总结 qdu:kA:]
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 1-gX=8]]
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 C{S6Ri
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ln!KL'T]
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 4'; ['
X}bgRzj
DFjkp;`1
tbk9N( R
8@Km@o]?
+V\NMW4d
九. 简化 )'<zC
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 bm7$D Kp#
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 r*3XM{bZ/@
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: 'XQv> J
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 A><%"9pZ
+-*/&|^等 +Q_Gm3^
2. 返回引用。 AAl`bhx'n
=,各种复合赋值等 "ChBcxvxb:
3. 返回固定类型。 z?YGE iR/}
各种逻辑/比较操作符(返回bool) T
+4!g|Y
4. 原样返回。 Ip1QmP
operator, y.eBFf
5. 返回解引用的类型。 ;NPb
operator*(单目) %r,2ZLZ
6. 返回地址。 hQ8{
A7
operator&(单目) >\p}UPx
7. 下表访问返回类型。 ,!py
n<_
operator[] @',;/j80
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 da^9Fb
operator<<和operator>> ta4<d)nB
Vis?cuU/
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。 yq,5M1vR
例如针对第一条,我们实现一个policy类: @+!d@`w:z2
?%0i,p@<
template < typename Left > |)_<