一. 什么是Lambda N~;
khS]
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 %}MA5 t]o
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, >Ug?O~-
Cxk$"_
_Sgk^i3v
Uc_`Eh3y
class filler Fy@#r+PgWp
{ nj^q@h
public : ccn`f]5w
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 5m.KtnT)
} ; .\~P -{Hd
w$lfR,
4nII/cPG
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: z[\W\g*|ri
FW)^O%2s
I0w@S7
?[S
>&Vq
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); vN,}aV2nq
_A,-[*OKI
0^y@p&;/.
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 $;2eH
L);||]B
VyoE5o
>[XOMKgQ](
二. 战前分析 co^P7+j
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。 $]%<r?MUb-
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 4/2RfDp
5&HT$"H:
&AQ;ze
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); a(ux?V)E.
/* --------------------------------------------- */ %kZ~xbY
vector < int *> vp( 10 ); l0caP(
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); sh
!~T<yy
/* --------------------------------------------- */ W?^8/1U
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); qXB03}] G
/* --------------------------------------------- */ ? gA=39[j
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); *]m kyAhi
/* --------------------------------------------- */ uZ/7t(fy
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); N{^>MRK=5
/* --------------------------------------------- */ l|vWeBs
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); PUE'Rr(Q
)7I.N]=
:!I)r$
JMirz~%ib
看了之后,我们可以思考一些问题: }+{*, z
1._1, _2是什么? y'_V/w s
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。 RD6h=n4B
2._1 = 1是在做什么? g<2lPH
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。 r%y;8$/-
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 mo|PrLV
7~kpRa@\P
5mna7BCEb
三. 动工 m0I #
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: -B *<Q[_
XWUvP
^<>Jw%H
iM?I
/\
template < typename T > GP{$v:RG
class assignment 9 {O2B5u1
{ KH2F#[
!Lw
T value; Y8J;+h9
public : HzD> -f
assignment( const T & v) : value(v) {} QN5yBa!Wz
template < typename T2 > Q{qj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } iHE0N6%q
} ; -7-Fd_F8
BrNG%%n
[+;FV!M6
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ?AV&@EX2C
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment bmj8WZ
r^w\9a_
z-KrQx2
O)R7t3t
class holder y wW-p.
{ >/TB_ykb
public : %aj7-K6:t
template < typename T > gx!*O<|e4
assignment < T > operator = ( const T & t) const f?=r3/AO
{ 1z})mfsh
return assignment < T > (t); -+3be(u
} h1^9tz{
} ; ,+ns
{ppn
;[{:'^n
9RG\UbX)^|
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: vp\PYg;x
!
Q|J']|
static holder _1; JqI6k6~Q^
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 |8&-66pX
S|K|rDr0n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @9OeC
O
而不用手动写一个函数对象。 fKL'/?LD]
tA`mD >[
*.kj]BoO
>DDQ'W !
四. 问题分析 !lR0w|
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。 KWFyw>*)
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。 ftYR,!&
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 b@=zrhQ
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 RH!SW2o<
下面我们可以对这几个问题进行分析。 V/aQ*V{
H|PrsGW
五. 问题1:一致性 y#b;uDY
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?| xGKfej9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 b%Wd<N2
YHs?QsP
struct holder -M"IVyy@
{ t{_!Z(Rt5)
// "DVt3E
template < typename T > 25x cD1*
T & operator ()( const T & r) const wn
&$C0
{ HA$Y1}
return (T & )r; r#LnDseW
} HzP.aw4
} ; 90Xt_$_}s
CdX`PQ
这样的话assignment也必须相应改动: >j&1?M2C
R<Z^L~)
template < typename Left, typename Right > $Llta,ULE
class assignment .D+RLO z
{ /VRUz++K
Left l; 3H1Pp*PH
Right r; .|T2\M
public : ? ouV
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 'eqiYY|
template < typename T2 > i4 hJE
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } n4^*h4J7
} ; /wr6\53J
QZ?d2PC=>?
同时,holder的operator=也需要改动: `koOp
|}Q( F+cL
template < typename T > Af`z/:0<
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const W&<g} N+
{ $v FrU v
return assignment < holder, T > ( * this , t); {5SfE$r
} ft{W/ * +_
a]`itjL^
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。 /Z:N8e
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 >Cvjs
llNXQlP\B
return l(rhs) = r; 1XG$ z@NN
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。 /v5qyR7an
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: rxQ<4
ICk(z~D~
template < typename Tp > WS5A Y @(~
class constant_t -<6v:Z
{ ]K7`-p~T
const Tp t; x7f:F.
public : 1:_=g #WH
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} USprsaj
template < typename T > FS8S68
const Tp & operator ()( const T & r) const 6{Ks`Af
{ +Z > <
return t; Gi*<~`Gr
} P2Onkl
} ; |H:<:*=6c
s,w YlVYf!
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 9GThyY
下面就可以修改holder的operator=了 0Su_#".-*
\4aKLr
template < typename T > N?$7Z v[G
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const M2dmG<
{ q?yMa9ZZky
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); WJAYM2
6\
} (Q'U@{s
L7m`HVCt&
同时也要修改assignment的operator() JPLI
@zX^
7ZQ'h3K
template < typename T2 > c -w0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2\5cjdy
现在代码看起来就很一致了。 n? ]f@O R
!Vb,zQ
六. 问题2:链式操作 3EmcYC
现在让我们来看看如何处理链式操作。 D{R/#vM jk
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 @m?{80;uQ
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 >{QdMn
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 lcCJ?!lsSW
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 6%%PP8.F
2% %|fU9
template < typename T > [@<G+j
struct result_1 u%xDsTDP
{ U%q:^S%#eG
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; LP ,9<&"<
} ; bK<}0Ja[
v~}5u
5$O
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: YwXXXh
N#UXP5C(
template < typename T > b_vVB`>
struct ref P% Q@9kO>
{ .liyC~YW
typedef T & reference; qC..\{z
} ; V}SyD(8~
template < typename T > Jh?z=JY
struct ref < T &> n26>>N
{ 2A>C+Y[7\
typedef T & reference; y^G>{?Tha
} ; o!utZmk$
6|^0_6_
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: %9X{{_
s@s/'^`
template < typename T > H UkerV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const -E]Sk&4Gj
{ lBmm(<~Z
return l(t) = r(t); U. (Tl>K|0
} $3 4j6;oN
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 UWw}!1
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 lbS?/f
e/>:K' {
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 qOi5WX6F/
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是:
,gmH2.
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 )\0q_a
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ec?V[v
最后的布局是: 88g47>{X
Add }/p/pVz
/ \ \TUE<<?1s
Divide 5 ?+Q$#pb
/ \ sB6dpD
_1 3 ~:EW>Fq%i
似乎一切都解决了?不。 ^dfx~C
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。 G?/c/r G
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。 *NlpotW,f
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: &6/%kkv
U CRAw3=
template < typename Right > _q)!B,y-/N
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const k2p'G')H
Right & rt) const (a }J$:
{ vbp-`M(
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;v_V+t<$
} O:^'x*}
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 j#VIHCzlr
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。 wbi3lH:;
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。 U^rm:*f
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。 Sl>>SP
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。 DjwQ`MA
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? M6Pw/S!
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: 9cfR)*Q
[@3SfQ
template < class Action > "OL~ul5
class picker : public Action X>t3|h
{ 9P.(^SD][z
public : RqLNp?V%
picker( const Action & act) : Action(act) {} 8QF2^*RZ7z
// all the operator overloaded @Tr&`Hi
} ; M3(k'q7&:
T4r5s
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。 NR4Jn?l{
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: ~+HoSXu@E
#) ]c0]p
template < typename Right > Uo6(|mm
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const J?%}=_fsa
{ -=)-s m'
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); q8sbn
} ,[`$JNc
*vnXlV4L
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > xmr|'}Pt[
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 p)3nyN=|_
#mLuU
template < typename T > struct picker_maker ia4k :\
{ TvQ^DZbe
typedef picker < constant_t < T > > result; !;dSC<
} ; FP@qh
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > \84v-VK
{ ^u)rB<#BR
typedef picker < T > result; |s=`w8p
} ; 8Kk\*8 <
OCnFEX"
下面总的结构就有了: 0E6lmz`O
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 kH?#B%N5
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 9?EVQ
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 7>n"}8i
至此链式操作完美实现。 J :S'uxM
u9]1X1wV
&?+WXL>
七. 问题3 T2weAk#J
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 D.*>;5:0'
eko]H!Ov(
template < typename T1, typename T2 > `#6x=24
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const U<Jt50O
{ Zw$
OKU
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); r,xmEj0E
} G{RTH_p
Mw^*yW
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: M35Ax],:^
Bo
r7] #
template < typename T1, typename T2 > y3IWfiz>/d
struct result_2 wsnK3tM7-
{ 3KcaT5(&
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ]sj0~DI*m
} ; ^od<JD4
%8FN0
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? B QjGv?p0s
这个差事就留给了holder自己。 "&QH6B1U6H
7=k^M, a
'UfeluMd
template < int Order > 'MQ%)hipA
class holder; -BhTkoN)
template <> Do*n#=
class holder < 1 > uLV BM]Qj
{ pn\V+Rg'
public : #a,9B-X
template < typename T > NK/4OAt%
struct result_1 <DZcra
{ w> 979g
typedef T & result; '*R%^RK
} ; 4%_M27bu[
template < typename T1, typename T2 >
`w<J25
struct result_2 QUOKThY?
{ \dkOK`)b
typedef T1 & result; Gi7RMql6Q
} ; `# ^0cW
template < typename T > CAgaEJhX3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const kso*} uh0
{ 8MZ$T3IM
return (T & )r; (lWq[0^N
} PW)aLycPK
template < typename T1, typename T2 > =~|:t&v=c
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const x-_vl
9P)
{ /Ox)|)l
return (T1 & )r1; &;>4N"]
} qO()w
} ; {-WTV"L5*2
lhPGE_\
template <> C1fyV]
class holder < 2 > li/aN
{ ^^}Hs-{T
public : VKrShI
template < typename T > "JT;gaEm
struct result_1 EW(J5/mn
{ 12(wj6Q
typedef T & result; i_l+:/+G+
} ; M{KW@7j
template < typename T1, typename T2 > flnVYQe
struct result_2 PRr*]$\&Mj
{ fL6e?\Pw
typedef T2 & result; ?[TW<Yx
} ; U[||~FW'
template < typename T > FvXqggfGv
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const &drFQ|
{ LWmB,
Zf/
return (T & )r; KoHGweKl#
} rt!r2dq"
template < typename T1, typename T2 > Ai kf|)D[
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const wda';@y5(
{ u"+}I,'L
return (T2 & )r2; RKuqx:U
} {o|k.zy
} ; f/ahwz
"J19*<~
, =y#m-9
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> >。 {fz$Z!8-
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: `W5-.Tv
首先 assignment::operator(int, int)被调用: h;M3yTM-
oU+F3b}5p
return l(i, j) = r(i, j); eegx'VSX4
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) EHI 'xt
vsMmCd)7U
return ( int & )i; (^: p
return ( int & )j; 2@Lbfo A
最后执行i = j; y4jU{,
可见,参数被正确的选择了。 8 ws$k\>
92[a;a
qL
5>o>J
v 1+U;Th>g
n WaNT-
八. 中期总结 gH7z
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: .SS<MDcqIt
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 @x{`\AM|%
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 npH?4S-8G
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor aC^$*qN-)
~5OL6Bi-q
1r9 f[j~
-5Utlos
|b.z*G
PCE4W^ns
九. 简化 erFv(eaDK
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。 `f`TS#V
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 P:{<*`q
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: Qvqqvk_tv
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 `
\ZqgX4
+-*/&|^等 iHBB,x
2. 返回引用。 74J@F2g}?
=,各种复合赋值等 "/+zMLY
3. 返回固定类型。 SbT5u3,'
各种逻辑/比较操作符(返回bool) b2)\
MNH
4. 原样返回。 K1q+~4>\|
operator, PkUd~c
5. 返回解引用的类型。 IVjU`ij
operator*(单目) 7@;">`zvm
6. 返回地址。 ^mPPyT ,(
operator&(单目) (03pJV&K
7. 下表访问返回类型。 8]"(!i_;)
operator[] r4{<Z3*N
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 |g&ymFc
operator<<和operator>> [EZYsOr.
%&+59vq
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。 HuI`#.MpWE
例如针对第一条,我们实现一个policy类: \8v91g91f
h*l&RR:i
template < typename Left > Sycw %k
struct value_return m $dV<
{ !m y8AWO'
template < typename T > !xK=#pa
struct result_1 eSy(~Y
{ [kB
`
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 5ukp^OxE
} ; WlVl[/qt
pGGmA;TC1
template < typename T1, typename T2 > ?S[Y:<R{:
struct result_2 QU5Sy oL[
{ 1~yZ T
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; #1/}3+=5B
} ; gNj7@bX~
} ; gS9>N/b|
!iu5OX7K|
4<S'
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait VLvS$0(}Z
\
v2H^j/
下面我们来剥离functor中的operator() {6,|IGAq
V
首先operator里面的代码全是下面的形式: LR&_2e^[
m5c&&v6%"b
return l(t) op r(t) ^twivNB
return l(t1, t2) op r(t1, t2) hv)8K'u
return op l(t) lP_db&
return op l(t1, t2) Ngy=!g?Hk=
return l(t) op ~}ovuf=%
return l(t1, t2) op m,MSMw1p
return l(t)[r(t)] dQ:cYNm
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] h #.N3o
[c&