一. 什么是Lambda k,E{C{^M
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 l7259Ro~
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, otl0JHt*+
XQs1eP'{
'}JhzKNj
%C'?@,7C
class filler 6]_pIf
{ $@Rxrx_@M
public : m!4ndO;0vh
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} )}]g]
g
} ; C'+YQ]u
3yY}04[9<
nntuLuW
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: BNl5!X^{
]Svt`0|}
?m=N]!n
FLCexlv^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 5C*Pd
Wpl
*{@Nq=fE
&)Tdc
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 zh`<WN&H
0hNA1Fh{U
SSg8}m5)Q
<#y[gTJ<'>
二. 战前分析 '&R2 U_
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 d>&,9c%
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 A*R^n}sh
VimE@ Hz
v
~?qz5:K~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); cLJ$M`e
/* --------------------------------------------- */ fZzoAzfv2
vector < int *> vp( 10 ); KKPh~ThC
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); E`0?
/* --------------------------------------------- */ V/LLaZTE
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); [M}{G5U.
/* --------------------------------------------- */ '8.r-`l(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); /?'FE 7Y
/* --------------------------------------------- */ #7$
H
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); mh{d8<Q2
/* --------------------------------------------- */ $Sx'sA2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); R)(T^V`{
omu|yCK
ufZDF=$7
=/+-<px
看了之后,我们可以思考一些问题: j'<<4.(
1._1, _2是什么? gHEu/8E
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 x0D*U?A
2._1 = 1是在做什么? sPQQ"|wU
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 [{,T.;'<j
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Apag{Z]^B
L>NL:68yN
9r<J"%*Q
三. 动工 "]x'PI 4J
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 5iw<>9X*
fLD,5SN
~i{(<.he
>d*@_kJM
template < typename T > 8oseYH
class assignment xY8$I6
{ Jbg/0|1
T value; J26V nK
public : A_ZY=jP
assignment( const T & v) : value(v) {}
6f>{"'
template < typename T2 > 9Cp-qA%t
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ;_I8^? d
} ; S-b/S5
EIAc@$4
TR`U-= jH,
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 8)3*6+D
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment (9GWbB?
tBWrL{xLe
P [ck84F/
DGF5CK.O
class holder CL;}IBd a
{ ~.nmI&3
public : ~2N"#b&J
template < typename T > _pG-qK
assignment < T > operator = ( const T & t) const 6=/F$|
{ A#<? 4&
return assignment < T > (t); -p-ZzgQ
} cn3\kT*
} ; 'n]w"]|
jo@6?(
*4
F6|]4H.3Q
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: 1D7`YKI9h
[Ek7b*
static holder _1; o5GcpbZ3k
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写
(@VMH !3
LEf^cM=>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); D%Sl AzZ3
而不用手动写一个函数对象。 X-Kh(Z
2(+2+}
q`a'gJx#y
1#2 I
四. 问题分析 @%uUiP0
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。 @ioJ]$o7
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。 NB#OCH1/9
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 iByf{ I>+
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 pRpBhm;iJ
下面我们可以对这几个问题进行分析。 djG*YM\B
KC6.Fr{
五. 问题1:一致性 L}b.ulkMD
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?| !hy-L_wL]
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 q!7ANib6O
]|ag
struct holder ,PW'#U:
{ i)#dWFDTv
// P>D)7V9Hh
template < typename T > mdDOvm:&
T & operator ()( const T & r) const
#A/
{ sb*G!8j
return (T & )r; !;{7-~
} HM1Fz\Sf
} ; q`7PhA
:\c ^*K(9
这样的话assignment也必须相应改动: ie95rZp
a#k6&3m&
template < typename Left, typename Right > P|E| $)m
class assignment 8q!]y6
{ 1(R}tRR7 R
Left l; f~R(D0@
Right r; /-'}q=M
public : %)1?TU
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ;[YG@-"XZ
template < typename T2 > 7Q9 w?y~c
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } "+nRGEs6
} ; U9 s&
&PHTpkaam
同时,holder的operator=也需要改动: Bm<`n;m
ltSU fI
template < typename T > ,w4(kcg%iQ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const : *#- %0
{ o5PO=AN
return assignment < holder, T > ( * this , t); rXP,\ ]r+
} AV]2euyn
my1@41
H
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 l|[N42+
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 3;9^
cqkV9f8Ro
return l(rhs) = r; V2EUW!gn
2
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 f'RX6$}\1X
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: T&bYa`f]
SKN`2[ahD
template < typename Tp > /36:ms A
class constant_t G~a ZJ,
{ Dx?,=~W9
const Tp t; JXQO~zj
public : RbnVL$c
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ,[KD,)3y
template < typename T > &6!)jIWJ
const Tp & operator ()( const T & r) const vh%B[brUJ
{ nR~@#P\
return t; V f&zL
Sgr
} "HIRTE;&
} ; s ll\g
PFjL1=7I
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 9$w.9`Py
下面就可以修改holder的operator=了 qe#tj/aZ
2]*OQb#O6e
template < typename T > M|h3Wt~7
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const !f[_+CD
{ @,+5y\]C
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); PC8Q"O
}
<kqo^
hn@08t G
同时也要修改assignment的operator() cV6D<,)
KV *#T20T
template < typename T2 > .`eN8Dl1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Dz/ "M=
现在代码看起来就很一致了。 T!#GW/?
+ &Eqk
六. 问题2:链式操作 iYoMO["X
现在让我们来看看如何处理链式操作。 7JH6A'&
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。 LEdh!</'24
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。 3nQ`]5.Q
w
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。 #c!lS<z
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Lk8ek}o'
$6 f3F?y7
template < typename T > 1GcE)e!>
struct result_1 TD0
B%
{ Wac&b
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; J*M>6Q.)
} ; %tGO?JMkd
Bwxd&;E
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: \R_C&=
SqpaFWr
template < typename T > ZY+qA
struct ref O^
yG?b
{ 24eLB?H
typedef T & reference; I\ob7X'Xu!
} ; 4D4j7
template < typename T > Y:[u1~a
struct ref < T &> u*`GiZAO
{ 8lrpve
typedef T & reference; #X1ND
} ; <bWG!ZG
TvbE2Q;/UL
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下:
/J;Kn]5e
GD$l||8
template < typename T > )y$(AJx$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const #"~<HG}bR/
{ y<Ot)fa$
return l(t) = r(t); YS0<qSN
} } q8ASYNc
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。 zrb}_
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Q![@c
8d'0N
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 (jE9XxQY
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 6i/(5 nQ
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 26h21Z16q
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 b]KBgZ
最后的布局是: R\[e!g*I
Add sPIn|d
/ \
;i+jJ4
Divide 5 b>ySv
/ \ z2GY:<s
_1 3 P&Vv/D
似乎一切都解决了?不。 wibNQ`4k
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。 [4)F f
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。 y:uE3Apm
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: S
f#
R0SA
Nh44]*
template < typename Right > W"{N Bi
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (E1~H0^
Right & rt) const ,ig/s2ZG6X
{ v]UwJz3<
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5b7RYV
} YoFxW5by
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 )^hbsMhO
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。 hhvyf^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。 @H8EWTZ
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。 _+MJ%'>S
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。 I>$&-i
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 8z\xrY
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: >H,*H;6
|R:'\+E
template < class Action > Tid a a
class picker : public Action u*9V&>o
{ BMf@M
public : u ^RxD^=L
picker( const Action & act) : Action(act) {} A3*!"3nU
// all the operator overloaded _@/8gPT*i
} ; k9F=8q
\'j|BJ~L f
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 ,hmL/K0"(5
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: &%Tj/ Qx
=2x^nW
template < typename Right > PPsE${!
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Z3!`J&
{ 9gZ$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); &cTU
sK
} Xn
;AZu^'R
BDVtSs<7
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > /Ci<xmP
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。 i}?>g -(
9&NgtZpt
template < typename T > struct picker_maker :BTq!>s
{ zx7{U8*`<
typedef picker < constant_t < T > > result; T6k0>[3xf
} ; rrv%~giU
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > :Ux_qB
{ ig &Y
typedef picker < T > result; vr^qWn
} ; 40
0#v|b
/u+e0BHo
下面总的结构就有了: SX-iAS[<
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=o4Q<
#^y
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。 hR|MEn6KC
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 L8 @1THY
至此链式操作完美实现。 @\I#^X5lv
^Zp>G{QL{
*uvQ\.
七. 问题3 `y* }lg T
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。 ?0xgRe<
8HdAFRw
template < typename T1, typename T2 > ^G-@06 /!
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const y* h<MQ
{ >-{Hyx
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); q"_QQ~
} 5NLDYi@3
;6hOx(>`=
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: $u6
3]rypm
n?K
template < typename T1, typename T2 > y18Y:)DkL
struct result_2 C"]^Q)aJN
{ P
L+sR3bR
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; lB[kbJ
} ; 9Lfv^V0
%;"y+YFdv
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? FNId;
这个差事就留给了holder自己。 w)jISu;RG
G<;*SYAb
]"1DGg \A
template < int Order > 9JKEw
class holder; bK-N:8Z
template <> maR"t+
class holder < 1 > cPc</[x[W
{ _n\GNUA
public : 5QO9Q]I#_\
template < typename T > ~.lPEA %%
struct result_1 Mh
7DV
{ w.-!UD9/.x
typedef T & result; -`TEVS?`l
} ; $]2vvr
template < typename T1, typename T2 > !_Z&a
struct result_2 R_S.tT!
{ ?#Q #u|~
typedef T1 & result; lCHO;7YHX
} ; 63x?MY6
template < typename T > '>C5-R:O
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const yJe>JK~)
{ u08mqEa
return (T & )r; qA5r
} t.\dpBq
template < typename T1, typename T2 > i<g-+ Qs
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Yk Qd
{ 1hNq8*|
return (T1 & )r1; VBcPu
} NSA-}2$
} ; #@nezu2
hqkz^!rp
template <> fL7xq$K
class holder < 2 > gt w Q-
{ t}tEvh
public : Y% 5eZ=z
template < typename T > x`)&J
B
struct result_1 ,L'zRyP
{ P\)iZiGc
typedef T & result; 2WYPO"q
} ; %vi<Aseg
template < typename T1, typename T2 > -v|qZ'
struct result_2 gCY';\f!
{ Rr|VD@%
typedef T2 & result; Nf1-!u7
} ; QGmn#]w\\
template < typename T > XAL1|]S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1c{DY
{ (qulwOt~w
return (T & )r; O/(xj2~$J
} x{/g(r={}
template < typename T1, typename T2 > !ff&W1@
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const fMyti$1~
{ ]}2ZttQ?
return (T2 & )r2; pr UM-u8
} p|D/;Mk
} ; ]yPqLJ
zu|\fP
i9][N5\$
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 JbQ) sp
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: >]5P
3\AQV
首先 assignment::operator(int, int)被调用: =h73s0]
ysf~|r4s
return l(i, j) = r(i, j); IG9VdDj
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ThbGQ"/
|R\>@Mg#B
return ( int & )i; Ffta](Z;
return ( int & )j; #d2.\X}A"3
最后执行i = j; 7CTFOAx#
可见,参数被正确的选择了。 Y,t={HiclX
b |p)9&^r
O2dW6bt
uw+M
;&-k#PE]/H
八. 中期总结 5>N2:9We
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: h
Pa_VrH
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 q\p:X"j|
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 d;9FB[MmOJ
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor XtSkh] #z!
!.(P~j][
d8=x0~7
8::$AQL3
?[Q3q4
M>ruKHipFE
九. 简化 @8rx`9
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。 {vyv7L
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 )6,=f.%
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: z]`k#O%%)
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 HqD^B[jS
+-*/&|^等 Pax|x15
2. 返回引用。 MC:@U~}6
=,各种复合赋值等 OL,TFLn4
3. 返回固定类型。 ^qQZT]
各种逻辑/比较操作符(返回bool) |My4SoOF
4. 原样返回。 `gf0l /d
operator, J!pygn O
5. 返回解引用的类型。 rb+j*5Es
operator*(单目) =wOm}V8N&
6. 返回地址。 Vi]W |bP
operator&(单目) kbMWGB%;
7. 下表访问返回类型。 .ndCfdy~
operator[] 9V@V6TvW>&
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 EL 8<U
operator<<和operator>> RA'M8:$
wL
4dTc
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。 0C
irfcs}Z
例如针对第一条,我们实现一个policy类: D" rK(
6BbGA*%{
template < typename Left > VZymM<