一. 什么是Lambda <7~HG(ks
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 /59jkcA+
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, e23}'qb
$-Lk,}s.*
zWb>y
n,!PyJ
class filler @T0F }(k
{ "t$c'`
public : S zR7:U
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} |JC/A;ZH
} ; -NHA{?6r
swss#?.se
s5F,*<
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: s2FJ^4
s"7wG!yf
w] i&N1i
56Z 1jN^U
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); B[%FZm $`M
oKLL~X>!U
dO
=fbmK
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 u [5*RTE
TcPYDAa
5V;BimI
b_ +dNoB
二. 战前分析 9*pH[vH
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 zy"wQPEE
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ;m`k#J?
uH!uSB2
JKN0:/t7Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); klmRU@D
/* --------------------------------------------- */ =~}\g;K1Q
vector < int *> vp( 10 ); KSe`G;{
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); P1tc*2Z
/* --------------------------------------------- */ 5v
>0$Y{
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); q,w8ca4~y
/* --------------------------------------------- */ #usi1UWB#Q
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); :y^0]In
/* --------------------------------------------- */ O~sv^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ?:73O`sX:
/* --------------------------------------------- */ fTQRn
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); .-2i9Bh6
dF$a52LS
lO&TSPD^
Eh/B[u7T[
看了之后,我们可以思考一些问题: kcGs2Y_*&
1._1, _2是什么? xF![3~~3[
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 7DQ{#Gf#G
2._1 = 1是在做什么? BV_rk^}Ur
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ~5g2~.&*
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 ' P5ttI#|
d~n|F|`:
WsO'4~X9
三. 动工 53=5xE= `D
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: nQm7At
=8:m:Y&|`G
jYE<d&Cq
{/d<Jm:
template < typename T > tl5}#uJ
class assignment Qa-]IKOs
{ ^'9:n\SKQ
T value; k@vN_Un
public : oRH]67(Z
assignment( const T & v) : value(v) {} ,rkY1w-
template < typename T2 > - "`5r6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } HQqnJ;ns<
} ; X <QSi
LE$_qX`L
QlT{8uw)
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 |-t>_+. J'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment H?A&P4nZ
hr9rI
5~)m6]-6
H809gm3(Z
class holder 8NU <lV`
{ I2"F2(>8K
public : 2|]pD
template < typename T > )\oLUuL`;
assignment < T > operator = ( const T & t) const g+'=#NS}
{ ^U1@
hq*u
return assignment < T > (t); u~[=5r
} 3,;;C(
} ; CRXIVver
a;@G
7tbM~+<0
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: "%^T~Z(_j
y*ux7KO
static holder _1; C(/{53G(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 R)}ab{A
pgNyLgN
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $646"1S
而不用手动写一个函数对象。 nKxu8YAJe
YKCd:^u
9Q)9*nHe
qk Hdr2
四. 问题分析 Y'n+,g
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 j'xk[bM
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 F<R+]M:fa
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 9&]g2iT P
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 %<[?;
下面我们可以对这几个问题进行分析。 /4K ^-
B+)HDIPa-
五. 问题1:一致性 G_m$W3 zS
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?| aS2Mx~
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 6ooCg>9/Z
<<#j?%
struct holder @ ={Hx$zL
{ 6d%V=1^F
// Eu;f~ V
template < typename T > Tw`n 3y?
T & operator ()( const T & r) const $eqwn&$n
{ FR5P;Yz%H
return (T & )r; acG4u+[ ]
} V@%:y tDf
} ; O:G5n 5J
p0r:U<&
这样的话assignment也必须相应改动: kx3?'=0;5
:U>[*zE4&
template < typename Left, typename Right > St`3Z/|h
class assignment 2^3N[pM;
{ IZw>!KYG
Left l; VDnN2)Km*
Right r; ,\".|m1o.
public : 98Dg[O
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} E![Ye@w
template < typename T2 > ^/`W0kT
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } G&7!3u
} ; qHQWiu%h
;^yR,32F
同时,holder的operator=也需要改动: 4 C7z6VWg
LN!e_b
template < typename T > V1h&{D\"
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const o$4xinK
{ )P|&o%E
return assignment < holder, T > ( * this , t); tV'>9YVdG
} A3su!I2S
D=>[~u3H
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。 _zuX6DO
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 =eHoJq
y'{*B(
return l(rhs) = r; 8x,{rSqq
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。 _/\U
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: cT&!_g#g
j
o +-
template < typename Tp > 655OL)|cD6
class constant_t IH2V.>h
{ qcWY8sYf
const Tp t; .5s#JL
public : gL/D| =
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _Qh:*j!
template < typename T > D# Gf.c
const Tp & operator ()( const T & r) const iCZuE:I1K,
{ PKxI09B
return t; @Q%9b )\\
} j92X"yB
} ; 26K sP .-
|mS-<e8LY4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 9P7^*f:E
下面就可以修改holder的operator=了 AJJa<c+j
P #PRzt
template < typename T > K6BP~@H_D
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const }M0GPpv
{ g]mR;T3
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); x 8_nLZ
} *ydh.R<hb
8hZYZ /T
同时也要修改assignment的operator() 7A=*3
B3';Tcs
template < typename T2 > aS
$ J `
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } qRbU@o.3
现在代码看起来就很一致了。 ~'.SmXZs
WBd$#V3
六. 问题2:链式操作
EjF2mkA*
现在让我们来看看如何处理链式操作。 .0a,%o8n
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。 6o
cTQ}=
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。 .Xm?tC<
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。 r`OC5IoQ
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ~c\iBk
4^IqHx;bj
template < typename T > J=`2{
'l
struct result_1 H'_ v
{ nQm
(UN
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; %s;=H)8
} ; wV{jJyRl
;i>(r;ZM
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: :G8:b.
]IM/R@
template < typename T > g)**)mz[
struct ref ={k_
(8]
{ ,bRYqU?#0
typedef T & reference; G)8H9EV
} ; ;4s7\9o
template < typename T > esk~\!d
struct ref < T &> W2T-TI,>PC
{ %Mxc"% w
typedef T & reference; m2x=Qv][@c
} ; ZP(T=Q
)/FEjo
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: wpK[;
h~r&7G@[}
template < typename T > ~R*01AnZ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const (/^dyG|X'
{ 3;<Vv*a"Dm
return l(t) = r(t); I*`;1+`
}
%c-T Gr,
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。 %h9'kJzNk
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 t^|GcU]
.:(T}\]R
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 r=4vN=:
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: i$jzn
ga
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 'S'Z-7h>0
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #J`MR05
最后的布局是: QTmMj@R&(
Add /$=<RUE
/ \ qo!6)Z
Divide 5 RemjiCE0'
/ \ F['%?+<3
_1 3 |Ca
%dg9$@
似乎一切都解决了?不。 +d'1
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 r-'CB
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 Xwz'h;Ks_
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: /1z3Q_M
0wpGIT!2
template < typename Right > mXK7y.9\
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const iu.$P-s
Right & rt) const =jD9oMs
{ E/{v6S{)Y
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt);
0 ~^l*
} <6STw
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Dk#4^`qp1
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。 pdq5EUdS
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。 SpA-E/el
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。 *OU&`\bmE
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。 O3En+m~3n)
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? t+tD
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: qL2Sv(A Z!
D^<5gRK?
template < class Action > )>r sX)
class picker : public Action X ApSKJ
{ |576)
public : ,UATT]>
picker( const Action & act) : Action(act) {} 6|B;C
// all the operator overloaded J}Ji /
} ; ~@%#eg
7Rl/F1G o}
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。 nPg,(8Tt
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: YtFH@M
()ZP=\L
template < typename Right > K0^Tg+U($p
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ?!;i/h*{
{ f=kt0
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); z"$huE>P6
} [ n2)6B\/
4Pkl()\c
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > WJBwo%J
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。 dCO7"/IHW
>7(7
template < typename T > struct picker_maker .-?Txkwb
{ x#jJ
0T
typedef picker < constant_t < T > > result; yGE)EBH
} ; 3!Ca b/T
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > &2//\Qz
{ }@<Ru
typedef picker < T > result; $m[*)0/
} ; A(T=
m.&"D>
\t
下面总的结构就有了: 2bt).gGm
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 +O?`uV
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 _qU;`Q
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ~ea&1+Z[3
至此链式操作完美实现。 '~n=<Y
IiZXIG4H
*zl-R*bM$
七. 问题3 >fx/TSql: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。 9HG" }CGZP
nV>=n,+s"
template < typename T1, typename T2 > 0ra+MQBg
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const I7?s+vyds
{ s&D>'J
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); |l673FcJ
} JK^pb0ih
JTdcLmL
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: a8cX{6
2|D<0d#W
template < typename T1, typename T2 > x>[f+Tc
struct result_2 C3-I5q(V]
{ tr$d?
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Bs';!,=
} ; .Dt.7 G
@X]JMicJ
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ~09k IO)
这个差事就留给了holder自己。 Q'c[yu
/[=U$=uH
0khAi|PY
template < int Order > drd5oZ
class holder; uYMH5Om+i
template <> =aCd,4B}
class holder < 1 > 4ad-'
{ Tk:%YS;=
public : ~NBlJULS
template < typename T > Oz4yUR
struct result_1 u=&$Z
{ =:(<lKf,<F
typedef T & result; Azag*M?
} ; G[s/M\l
template < typename T1, typename T2 >
S)W(@R+@4
struct result_2 cW?~]E'<
{ Gn>~CoFN
typedef T1 & result; '$Fu3%ft
} ; :Nl.< 6+
template < typename T > ,N@N4<C]
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const BBHoD:l
{ by*v($
return (T & )r; iuHs.k<z
} V
u1|5
template < typename T1, typename T2 > d;E
(^l
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^=,N]
j
{ L,*#
return (T1 & )r1; Dt
Ry%fA_
} '[Z.\
} ; b*dEX%H8sf
Lo
uYY:Q
template <> W0s3nio
class holder < 2 > L]QBh\
{ -14~f)%NQ*
public : mmBZ}V+&=
template < typename T > 0JX/@LNg0
struct result_1 u!9bhL`
{ 7^n{BsN
typedef T & result; FXo{|z3
} ; *>J45U(6:
template < typename T1, typename T2 > g <5G#
struct result_2 %nT &
{ YA*E93 J0
typedef T2 & result; G:Cgq\+R
} ;
!AFii:#
template < typename T > XDAwE
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const MB3
N3,yL
{ .MI
5?]_
return (T & )r; a 8.Xy])!
} W;ADc2#)
template < typename T1, typename T2 > %\?Gzc_
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const [Ontip
{ u\P)x~-TM
return (T2 & )r2; y];@ M<<?e
} @j+X>TD
} ; 'Z`fZ5q
?J's>q^X
#u$ Z/,
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> >。 A^@,Ha
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: >&l{_b\k
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ?PDrj/: *
&ZAc3@l[c
return l(i, j) = r(i, j); "MU)8$d
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) .8/W_iC92
/<it2=
return ( int & )i; Zm#qW2a]P
return ( int & )j; brClYpp,h
最后执行i = j; xD4G(]d!
可见,参数被正确的选择了。 `]m/za%7
=*Y=u6?
~R\U1XXyUY
vp..>BMJ
Wkc^?0p
八. 中期总结 VO+3@d:
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: ["XS|"DM
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 8,YxCm ie
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 =%R|@lz_x
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor f f_| 3G
$-;x8O]u
A3mS Sc6
k80!!S=_>
H\ONv=}7I
8!VFb+
九. 简化 6 jo+i[h
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 V'XvwO@
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 J&jig?t
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: aFV d}RO0
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 >? ({
+-*/&|^等 W.VyH|?
2. 返回引用。 2Ik@L,
=,各种复合赋值等 TM?7F2
3. 返回固定类型。 qr[+^*Ha
各种逻辑/比较操作符(返回bool) DU.[Sp
4. 原样返回。 R22P
ol
operator, U&<w{cuA
5. 返回解引用的类型。 }doJ=lc
operator*(单目) =OU]<%
6. 返回地址。 h2#S ?
operator&(单目) W(&9S[2
7. 下表访问返回类型。 rkC6-9V
operator[] P
g1EE"N@
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 AC9#!#
OGB
operator<<和operator>> mB]Y;R<
\J?5Kl[*c
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 4E.K6=k|=a
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Il,^/qvIY
5,1q%
template < typename Left > d( +E0
struct value_return XG_Iq ,
{ UONW3}-
template < typename T > 7]6HXR @
struct result_1 A1nEp0%Y
{ M/^kita
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 2gb MUdpp
} ; ~TEKxgU
g&6O*vx
template < typename T1, typename T2 > 4Iou|
H
struct result_2 "JCvsCe
{ Al(u|LbQ
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; :i_kA'dl&
} ; /o=,\kM
} ; p$A` qx<M_
95CCje{o_
smt6).o
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait J((.zLvz
8{Id+Q>Vo,
下面我们来剥离functor中的operator() Sk 10"D B/
首先operator里面的代码全是下面的形式: Z/@%MEU[zl
(" +/ :
return l(t) op r(t)
zOnQ656
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 7,N>u8cTh
return op l(t) #Zy-X_r
return op l(t1, t2) DG
$._
return l(t) op d^<a)>5h
return l(t1, t2) op ,Cckp! 6
return l(t)[r(t)] Kzd`|+?'`M
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] h7H#sL[^
'of5v6:8
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: v|v^(P,o
单目: return f(l(t), r(t)); JV#)?/a$z
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); !B_?_ a
双目: return f(l(t)); <