一. 什么是Lambda 2g0_[$[m
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 8&q[jxI@8
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, pUV4oyGV
Uw!N;QsC
rJz`v/:|P
>]dH1@@
class filler P:8qmDXo
{ WR:I2-1
public : =&8 Cg
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} )#%v1rR
} ; yxx9h3
|[+/ ]Y
NC@L,)F
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ^uCZO
-d+o\qp"#
d
U}kimz
yq6Gyoi<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 7cMHzhk^
DH IC:6EY
G*N}X3H:o
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ==!k99`f,
h85kQ^%
ov$S
cPp<+ ts
二. 战前分析 z79c30y]"
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。 j3t,Cx
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 _48@o^{
YP4lizs.
hBRcI0R
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); fk5$z0 /
/* --------------------------------------------- */ ~~iFs ,9
vector < int *> vp( 10 ); br3r!Vuz/-
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); BbCaIt
/* --------------------------------------------- */ +{b3A@f|F
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ]yAOKmS
/* --------------------------------------------- */ ,v@C=4'm
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); P9yg
/* --------------------------------------------- */ n=iL6Yu(
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); =zsA@UM0
/* --------------------------------------------- */ ,^n5UA`PK
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &x.n>O
YQ$Wif:@(n
eeM$c`Y<
LW#$%}
看了之后,我们可以思考一些问题: Sv>bU4LHf
1._1, _2是什么? bdYx81
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。 Eb~e=){
2._1 = 1是在做什么? Rm&4Pku
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。 XF Cwa
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。 9%iv?/o*L
cOoF +hz0O
k [eWhdSw
三. 动工 >c30kpGg
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: pPH"6
'7yVvd
x%J.$o[<_
Lk`,mjhk
template < typename T > ~!7!Y~(+
class assignment bNh~=[E
{ 4?',E ddo
T value; V2oXg
public : ~{00moN"m
assignment( const T & v) : value(v) {} d`sIgll&n
template < typename T2 > kE[Hq-J=N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } \N a
} ; S2PPwCU
kP[LS1}*
_xu_W;nh
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 2]'cj
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment +Ua.\1"6
dw YGhhm
a0)] W%F
LB\+*P6QM
class holder ZOzwO6(_
{ /
0ra]}[(
public : 4NDT5sL
template < typename T > }!^`%\ %\
assignment < T > operator = ( const T & t) const t2_pwd*B
{ S]g`Ds<
return assignment < T > (t); 9Ac4'L
} pT<}n 9yB5
} ; ,7os3~Mk9
e\95X{_'
X$(YCb
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: +2JC**)I
]&_z@Z.i
static holder _1; V]W-**j<
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 l|L
]==M
C+vk9:"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Xmv^O
而不用手动写一个函数对象。 "}^}3"/.
Z_(P^/
PM8*/4Cu.5
U}c05GiQw
四. 问题分析 Lt2<3DB
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。 3FsX3K,_X
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。 F-GrQd:O=
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 %'&_Po\
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Gq =i-I
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Noi+mL
A&UGr971
五. 问题1:一致性 Q60'5Wt
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?| 'tJ@+(tqw
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 vC%Hc/&.}
"7}e~*bM?`
struct holder get$r5
{ )~C+nb '6/
// It8s#o q8
template < typename T > -`ss7j&b3
T & operator ()( const T & r) const 19*D*dkBR
{ LNOz.2fr>
return (T & )r; -:|t^RM;FT
} I`uOsZBO/
} ; _5H0<%\
UE 1tm
这样的话assignment也必须相应改动: 3)3$ L
J{r3y&:
template < typename Left, typename Right > v
O@7o
class assignment CH] +S>$
{ qrkJ:
Left l; #sb@)Q
Right r; d_)VeuE2
public : =@s {H +
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} DpvMY94Qh
template < typename T2 > %3es+A@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } J?oEzf;M
} ; 8Uoqj=5F
8?G534*r@2
同时,holder的operator=也需要改动: 7"p%c`*;
<>R\lPI2
template < typename T > 66l+cb
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const &b=OT%D~FU
{ Z>_F:1x
return assignment < holder, T > ( * this , t); M&5De{LS}
} 2SJ|$VsLaE
JB9s#`
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。 nD}CQ_C
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 pg/SYEvsV
cb`ik)=K%
return l(rhs) = r; A9kn\U92
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。 ]z"7v
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: -jcgxQH53
FSHC\8siS
template < typename Tp > a
n|bzG
class constant_t qV:TuR-|w
{ #iAw/a0&
const Tp t; 2}kJN8\F
public : .M>g`UW
constant_t( const Tp & t) : t(t) {}
)5Ofr-Y
template < typename T > ldRisL
const Tp & operator ()( const T & r) const ]Nb~-)t%B
{ ;C~:C^Q\H
return t; &m{vLw
} ?xYoCn}Z
} ; 3?uah'D5
O%m>4OdH
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 3\H0Nkubts
下面就可以修改holder的operator=了 OHK]=DH:M
R y"N_Fb
template < typename T > 905Lk>rB
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ^ SW!S_&Z2
{ +a74] H"
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *s (L!+
} DUWSY?^c
aSQvtv)91
同时也要修改assignment的operator() |s, Add:S
{:ZsUnzm
template < typename T2 > FSA"U9 w<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } aJSBG|IC
现在代码看起来就很一致了。 9
M!U@>
K%3{a=1
六. 问题2:链式操作 <iNxtD0
现在让我们来看看如何处理链式操作。 \) vI-
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。 ;)'
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。 }J(o!2.
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。 9y`Vg
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct CkEbSa<)hK
r"=6s/q7
template < typename T > lvk
r2Meu<
struct result_1 fe+2U|y
{ 7R=A]@
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ?f4jqF~Fh
} ; G\/7V L
MRa
|<yK
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: *Fm#Qek
T )"Uq
template < typename T > eWU@@$9
struct ref U_
*K%h\m
{ _aK4[*jnqh
typedef T & reference; V J]S"
} ; SEsLJ?Dv0
template < typename T > |>jlmaV
struct ref < T &> %C~LKs5oH
{ Z=[?Tf
typedef T & reference; xOBzT&
} ; TY]-L1$
xL}~R7
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: A&7~]BR\
+hzS'z)n&
template < typename T > %TS8 9/
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const OQ*rxLcA
{ q+cx.Rc#
return l(t) = r(t); lWWy|r'il
} I9g!#lbl
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。 8 CCA}lOG
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 v)-:0f
y4`uU1=
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 )~ =g}&
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: N^xk.O_TO
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 AlhPT (
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Y^9b>H\2
最后的布局是: \Zmn!Gg
Add v 8NoD_
/ \ CK#SD|~:
Divide 5 lt{yo\
/ \ e2vLUlL8
_1 3 @V71%D8{
似乎一切都解决了?不。 #/2W RN1L
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。 XS`=8FQ
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。 $p~X"f?0
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: {p)=#Jd`.P
2y@y<38
template < typename Right > N]7#Q.(~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 0uwe,;
Right & rt) const Y0ouLUlI
{ *|^}=ioj*
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2/.I6IbL
} drW}w+!
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 $x|4cW2
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 CvB)+>oa
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 X@up=%(
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。
U!Eo*?LU$
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。 0\}%~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? ODE^;:z !
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: y-k]Tr
1zlBkK
template < class Action > >TB Rp,;r
class picker : public Action y)#=8oci
{ aW@J]slg
public : +-OnO7f
picker( const Action & act) : Action(act) {} Nx^r&pr
// all the operator overloaded E;)7#3gY1
} ; wh)Ujgd
z2Kvp"-}
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。 0VwmV_6'<W
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: HYWKx><
v+qHH8
template < typename Right > +?R!
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const bZ_vb? n
{ 5dem~YY5
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); d;WXlE;
} z57|9$h}w
>4x~US[VB
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > rWnZ It"
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。 U1~6 o"1H
+u]L#].;
template < typename T > struct picker_maker HVkq{W|w
{ %MUh_63bB
typedef picker < constant_t < T > > result; EhK5<v}
} ; XX;MoE~MM
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > XTPf~Te,=
{ 2nA/{W\ hC
typedef picker < T > result; kNDN<L
} ; -eSZpz p
j%@wQVxq
下面总的结构就有了: tG}cmK~%
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。 aH+n]J]
=)
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。 0Er;l|
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 CHo(:A.U>
至此链式操作完美实现。 !3T,{:gyrI
,~^BoH}
{c\KiWN
七. 问题3 6}S1um4 F
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。 o u*`~K|R
jg+q{ ^
template < typename T1, typename T2 > }"o,j>IP
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 1KWGQJ%%s
{ R#w9%+
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Y~C;M6(P
} q>H f2R
A57e]2_
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: DC6xet{
>p,FAz>
template < typename T1, typename T2 > ^,WXvOy
struct result_2 _|qs-USA
{ WEVV2BJ
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; /C"?Y'
} ; %jRqrICd
JMIS*njq^
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? O~=|6#c
这个差事就留给了holder自己。 "E/UNE6P4
dxAP7v
n\G88)Dv`V
template < int Order > _hbTxyj
class holder; qsTB)RdjP%
template <> bi 8Qbo4
class holder < 1 > !w #x@6yq
{ \]gUX-
public : wjnQK
template < typename T > LYvjqNC&4
struct result_1 !3 j@gi2
{ pXBlTZf
typedef T & result; Z{gJ m9
} ; 7m+d;x2
template < typename T1, typename T2 > 4kqgZtg.
struct result_2 %L;;W,l$`)
{ U{%N.4:
typedef T1 & result; %tC3@S
} ; ;;;{<GEQ
template < typename T > -D-]tL6w
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const UxS@]YC
{ 5^ +QTQ
return (T & )r; (iO8[
} 9u2Mra
template < typename T1, typename T2 > k5ZkD+0Jo
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const `SH#t3
5,
{ oM4Q_A n
return (T1 & )r1; >L {s[pLJ
} _}RzJKl@
} ; =i:6&Y~VGq
J0Ik@
template <> tP;^;nw
class holder < 2 > {YzRf S
{ U#{^29ik=o
public : Jx(`.*$
template < typename T > 9;B6<`e/U
struct result_1 eTrIN,4
{ G<f"_NT
typedef T & result; cm!|A)~
} ; _J+p[=[L
template < typename T1, typename T2 > Q $5U5hb
struct result_2
~DJ>)pp
{ mx:) &1
typedef T2 & result; B]-~hP
} ; )of?!>'S[
template < typename T > tbr1mw'G
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const G*x"drP
{ 6;8Jy
return (T & )r; z/&2Se:
}
Y o$NE
template < typename T1, typename T2 > qh<h|C]V
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ]J
aV +b'O
{ PpF"n[j
return (T2 & )r2; (g>>
} +>,4d
} ; _Uxt9 X
sVjM^y24
("
,(@nS
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> >。 Oi~]~+2
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: @C34^\aH+
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ^A"TY
ci~pM<+
return l(i, j) = r(i, j); b9(_bsc
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) q=H
dGv
9Nkr=/I"P
return ( int & )i; ^Cm9[1p
return ( int & )j; 2kS]:4)T
最后执行i = j; ARt+"[.*p
可见,参数被正确的选择了。 V7\@g
qbwX*E~;
ZI8*PX%2
;jEDGKLq
cJ>
#jl&
八. 中期总结 ;[ag|YU$Y
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: #'<s/7;~
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 (4WAoye |
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 3TDjWW;#~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor @TTB$
}%;o#!<N(@
|*w}bT(PfR
`?H yDny
:"pA0oB
37SbF,G
九. 简化 k{ru<cf
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/ODV=J-
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 PqOPRf
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: 4%(\y"T
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。
x=%p~$C
+-*/&|^等 e/p 2| 4;
2. 返回引用。 0F495'*A
=,各种复合赋值等 T|{1,wP
3. 返回固定类型。 D V
各种逻辑/比较操作符(返回bool) R2 I
7d'|v
4. 原样返回。 %%dQIlF
operator, ~_ 8X%uty
5. 返回解引用的类型。 *QIlh""6
operator*(单目) 'fqX^v5n
6. 返回地址。 M!9gOAQP
operator&(单目) 4w\@D>@}H
7. 下表访问返回类型。 p:GB"e9>H
operator[] [vJLj>@
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 xxsax/h
operator<<和operator>> '>wr_
f
E,/<;
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 W@vt6v
例如针对第一条,我们实现一个policy类: =u5a'bp0;;
Ju"*;/
template < typename Left > h
"MiD
struct value_return ;!ICLkc$
{ 7H+IW4Ma
template < typename T > /s'7[bSv
struct result_1 _>G.
{ $mV1K)ege
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; r\+0J`
} ; 6dCS Gb
/3VSO"kcZ
template < typename T1, typename T2 > "x+o(jOy
struct result_2 1^x"P #u
{ #s\HiO$BT
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; C3XB'CL6
} ; [%);N\o2Y
} ; P0B`H7D
v/fo`]zP
$y0[AB|V
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait k"kGQk4
%|tDb
下面我们来剥离functor中的operator() _{]\} =@
首先operator里面的代码全是下面的形式: i; qb\
3?d o|>
return l(t) op r(t) 4Pbuv6`RK
return l(t1, t2) op r(t1, t2) t==CdCl
return op l(t) Xiy9Oeq2uh
return op l(t1, t2) <?Z [X{
return l(t) op \ r^#a
return l(t1, t2) op *[P"2b#
return l(t)[r(t)] zA
; 7Nv$3
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] \I@hDMqv
+PlA#DZu
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式:
$:7T
单目: return f(l(t), r(t)); i1(}E#
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); mM[!g'*
双目: return f(l(t)); BrHw02G
return f(l(t1, t2)); ,m`>
下面就是f的实现,以operator/为例 )2t DX=D
#K:!s<_"
struct meta_divide WS!:w'rzr
{ fI_I0dc.p
template < typename T1, typename T2 > z frEM
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) %M=Ob k
{ L[|($vQ"
return t1 / t2; /#lqv)s'
} StuQ}
} ; y.xyr"-Q
m#i5}uHHg
这个工作可以让宏来做: 8NE+G.:G
>{v,HOxl
#define DECLARE_META_BIN_FUNC(op, desc, ret) struct meta_##desc{\ wX!q dII)
template < typename T1, typename T2 > \ Z~?1xJ&