一. 什么是Lambda 4w$_]ke
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?=Db@97
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, YF[f Z
p
&(OZJT
1;lmu]I>)
H?` g!cX
class filler k< j"~S1
{ x,8<tSW)Z
public : #=,imsW)
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} SO{p ;g
} ; nFM@@oA
Ne6}oQy(S`
DN8}glVxV
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: ~i0R^qfr
SJ?)%[(T
#VGjCEeU
b]Z@^<_E
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); aFj.i8+
9YN?
e8P-k3a"5:
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 .Zmp ,
\7v)iG|#G&
QM<y`cZ8
.Y*f2A.v
二. 战前分析 },@^0UH4c
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Ykqyk')wm
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 bzZ>lyH
b-^p1{A0zW
kkCZNQ~I
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); )3A{GZj#6
/* --------------------------------------------- */ BiwieF4x
vector < int *> vp( 10 ); !mJo'K
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); X/0v'N
/* --------------------------------------------- */ 4QHS{tj
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); s!+
pL|
/* --------------------------------------------- */ ?]O7Ao
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); kv{}C)kt3
/* --------------------------------------------- */ ,IHb+ K
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 0?DC00O
/* --------------------------------------------- */ EbY,N:LK
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 'gMfN
,&^3Z
,)FdRRj
5F"|E-;
看了之后,我们可以思考一些问题: B4Y(?JTx
1._1, _2是什么? -yAQ
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 vH[47Cv G5
2._1 = 1是在做什么? s)J(/
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 #qBr/+b
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。
nY%5cJ`"
+IFw_3$
/=?x{(B>
三. 动工 #Pk$L+C
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: YDJ4c;37
i[jJafAcN
XXZaKgsq
6xK[34~6
template < typename T > <Zb/
class assignment H}}$V7]^),
{ *e>]~Z,
T value; oqd;6[%G
public : _qwQ;!9
assignment( const T & v) : value(v) {} YwEpy(}hJm
template < typename T2 > %ysZ5:X
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } CY:d`4
} ; YZf6|
9A'Y4Kg<C
g=L]S-e
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 SLL3v,P(7
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment -Apc$0ZsN
hwYQGtjF
]}="m2S3
DTRJ/@t
class holder G3P&{.v
{ p{A}pnjf
public : =ac_,]z
template < typename T > 2&mGT&HAVA
assignment < T > operator = ( const T & t) const /1=4"|q>h'
{ Q#I"_G&{
return assignment < T > (t); ?t&kb7
} <*ZJaBwWU~
} ; CvSIV7zYo
:$;Fhf<5
&F:IIo7
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: gN8hJG'0
B(a-k?
static holder _1; e~%
;K4
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 (/d5UIM{&
-H^oXeN
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); lz#GbXn.
而不用手动写一个函数对象。 e1(Q(3
hd\gH^wk
G'2#9<c*
W:,4 :|3
四. 问题分析 (s<Dd2&.H
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。 $n^MD_1!
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 _R'Fco
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 sIG7S"k>p
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 O<PO^pi
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ]xC#rwHUC
jUv!9Y}F
五. 问题1:一致性 cMyiW$;
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?| ~vmdXR`'T
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 =ph&sn$;L
0N[&3Ee8
struct holder ~7~~S*EQ
{ }I|u'#n_
// <DKS+R
template < typename T > M` q?Fk
T & operator ()( const T & r) const />¬$>
{ >_rha~
return (T & )r; 0&qr
} P71 (
} ; 5>3}_
;Op3?_
这样的话assignment也必须相应改动: ,fK3ZC
s]m o$ _na
template < typename Left, typename Right > ,NnhHb2\
class assignment [A}rbD K
{ }X x(^Zh
Left l; kKD`rfyG\
Right r; #-pc}Y|<
public : 7g
R@$(1Z
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 4&8Gr0C
template < typename T2 > P\8@g U!uk
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } FX9F"42@
} ; D:k3"
E"S
`D9]*c
!mO
同时,holder的operator=也需要改动: j1_@qns{
<;E
template < typename T > `_b`kzJ
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const hN['7:bQ
{ )jq?lw'&
return assignment < holder, T > ( * this , t); V"p!Bf
} 1;Pv0&[q/
QO"oEgB`+Z
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 qB)"qFa
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 GN KF&M
uB!kM
return l(rhs) = r; 2H.654
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 /C/id)h>
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: +?p.?I
>iS`pb
template < typename Tp > Yvn\xph3
class constant_t +C1QY'>I
{ _qbIh
const Tp t; }FzqW*4~
public : WL` 9~S
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} \*,=S52
template < typename T > p>_;^&>&
const Tp & operator ()( const T & r) const Vy_2 .
{ JG9` h#
return t; Wrr cx(
} :4^\3~i1X
} ; hFiIW77s2
piU/&
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 G_> #Js
下面就可以修改holder的operator=了 _+
.\@{c
)'*5R <#
template < typename T > 9-]i.y
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const w8g,a]p
{ ^F:k3,_[
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); >~K
qg~
} @ym/27cRE
jy]JiQB
同时也要修改assignment的operator() `DT3x{}_S
8k(P,o
template < typename T2 > )xb|3&+W
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Rb(SBa
现在代码看起来就很一致了。 >J|]moSVA
TYI7<-Mp:[
六. 问题2:链式操作 >vuY+o;B
现在让我们来看看如何处理链式操作。 wvrrMGU)a
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 7\ nf:.
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。
9CCkqB/
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 )5|I_PXB
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct q~o,WZG
+za8=`2o
template < typename T > U^qt6$bK
struct result_1 S1/`th
{ " R8KQj
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Hcc"b0>}{
} ; %Th>C2\
M-i_#EWP
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: &Q}*+Y]G
Xn~I=Ml d
template < typename T > &-5_f*{
struct ref _-5,zPR
{ tgjr&G}a@0
typedef T & reference; _z[#}d;k
} ; <cA/<3k)
template < typename T > ORu2V#Z[
struct ref < T &> -{`@=U
{ ;/j= Ny{9
typedef T & reference; [!%![E
} ; 8EVgoJ.
BL 3gKx.'
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: a,78l@d(
TNQP"9[?
template < typename T > s}pIk.4ot!
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const #z1H8CFL"
{ )"+(butI&
return l(t) = r(t); !?^b[
nC%
} v=('{/^~>
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。 8p-=&cuo\@
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 H5D*|42
y^7}oH _
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 CR2_;x:0
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: g@\fZTO
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 nI0[;'Hn,
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Tr^nkD{
最后的布局是: k1VT /u
Add V^Hu3aUx8
/ \ ~q&pF"va8
Divide 5 .'a&33J
/ \ )]#aa uC+
_1 3 7bDHXn
似乎一切都解决了?不。 wu"&|dt
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。 b=3H
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。 _,</1~.
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: nNXgW
`Y?87f:SP
template < typename Right > <, 3ROo76
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const c^`]`xiX
Right & rt) const %7O?JI[
{ A{B/lX)
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); XNgDf3T
} w>b-} t
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 JJRK7\~$
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。 #lU9yv
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。 }-~T<egF
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。 LL$_zK{
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 t\$U`V)
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? k<+0o))
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: ~n}k\s~|4
+{]xtQB=,{
template < class Action > H~ u[3LQz
class picker : public Action 6=N`wi
{ :rP#I#,7w
public : .CSS}4
picker( const Action & act) : Action(act) {} Ngg?@pG0y
// all the operator overloaded hVUP4 A
} ; `-3o+ID\
-X+H2G
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 gl&5l1&
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ]\ngX;h8G
(LHp%LaZ\;
template < typename Right > e$Y[Z{T5
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const =vT<EW}[
{ ,C {*s$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,sGZ2=M}J
} FYS/##r
upvS|KUil
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > >&!RWH9*q
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。 vy,&N^P
$)H@|<K
template < typename T > struct picker_maker ,YhdY6
{ Cye$H9 2
typedef picker < constant_t < T > > result; ={?vAb:
} ; 7H>@iI"?
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > n[YEOkiG
{ yz2Ci0Dwy
typedef picker < T > result; :iR \%
} ; !gnj]k&/c
o->\vlbD
下面总的结构就有了: $Ci0I+5w
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 X,8<oX1r
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 TPhTaKCio
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 _ pO `
至此链式操作完美实现。 H'F6$ypoS
>%E([:$A
m0{ !hF[^
七. 问题3 |y<),j6
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 #.[AK_S5&
8.bKb<y
template < typename T1, typename T2 > m?HZ;
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const P,=+W(s9}
{ q.2(OP>(
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); m*X[ Jtr
} 'B0{U4?
Jgu94.;5
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: -CH`>
n41@iK2l
template < typename T1, typename T2 > [7m1Q<
struct result_2 ny-7P;->8
{ I]!^;))
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; r6'UUu
} ; E2L(wt}^
q2:K4
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Q
!qrNa6
这个差事就留给了holder自己。 B^D(5
9z?oB&5
q %A?V_
template < int Order > )5fQ$<(Z
class holder; HyiFy7j
template <> #}^-C&~
class holder < 1 > 6mH/ m&
{ 4x%(9_8{-
public : kX:tc
template < typename T > n]+W 3[i
struct result_1 kqG0%WtQ
{ qz4^{
typedef T & result; CXtU"X
} ; t?nX=i*~]
template < typename T1, typename T2 > %7`f{|.
struct result_2 !QmzrX}h
{ qW 1V85FG
typedef T1 & result; :Sg_tOf
} ; p
(FlR?= S
template < typename T > k#bu#YZk
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const JN6-Z2
{ bN^O}[
return (T & )r; c.\O/N
} 9t@:4O
template < typename T1, typename T2 > ~](fFa{
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const OPBt$Ki
{ UueD(T;p
return (T1 & )r1; z=&z_}M8
} \RQ='/H*
} ; }Vu\(~
~8`:7m?
template <> TgU**JN)
class holder < 2 > _B2V "p
{ >*twTlb{
public : #sKWd
template < typename T > 5W
=(+Q>C
struct result_1 ~{>?*Gd&T
{ t"j|nz{m
typedef T & result; B@Nt`ky0*
} ; h?\2_s
template < typename T1, typename T2 > b=a!j=-D
struct result_2 ea=83 Zj
{ Wi n8LOC
typedef T2 & result; 0%s|Zbo!>
} ; nRhrWS
template < typename T > q^rl)
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Uh.Zi3X6}6
{ o-7>eE}+
return (T & )r; N12:{U
} bt+,0\Vg5
template < typename T1, typename T2 > _nT{g
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 3-40'$lE
{ RANPi\]
return (T2 & )r2; &Y@#g9G
} 3HyhEVR-#~
} ; 9+Y D!y
5H,G-
M
ixwK,
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> >。 0@1:M
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ZA#y)z8!E
首先 assignment::operator(int, int)被调用: cd;NpN
h$C@j~
return l(i, j) = r(i, j); DJhb
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) @E`?<|B}
-jg (G GJ
return ( int & )i; /7$mxtB5%L
return ( int & )j; 47 u@4"M
最后执行i = j; E(<LvMiCa
可见,参数被正确的选择了。 $mco0%$
zvv:dC/p<
)He#K+[}^4
fm1X1T .
dw@E)
八. 中期总结 ]8 U ~Iy
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: )Du-_Z
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 .&,[,
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ST1Ts5I
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor *2u
E
8dT'xuch
zW{ 6Eg
;'RFo?u K
}F`beoMAkM
<l\N|+7R
九. 简化 o}8{Bh^
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。 t\j!K2
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 d+z[\i
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: .")b?#K
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 PB~_I=
+-*/&|^等 &yH#s
8^8
2. 返回引用。 nR5bs;gk"
=,各种复合赋值等 ]>:^d%n,}
3. 返回固定类型。 "2n;3ByR
各种逻辑/比较操作符(返回bool) L9IGK<
4. 原样返回。 [j6~}zu@
operator, ||TtNH
5. 返回解引用的类型。 [h}K$q
operator*(单目) vW.%[]
6. 返回地址。 %u]6KrG18b
operator&(单目) .+#Lx;})
7. 下表访问返回类型。 F 1|zXg)
operator[] Ph7pd
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 KS!yT_O
operator<<和operator>> ui.'^F<
7{BnXN[
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。 hd^x}iK"
例如针对第一条,我们实现一个policy类: G_oX5:J*
$fArk36O#
template < typename Left > q
G;-o)h
struct value_return \v`#|lT$
{ ^/KfH&E
template < typename T >
';l fS
struct result_1 |n P_<9[
{ P!\hnm)%4
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 9EgP9up{6!
} ; {Qtq7q.
:k!j"@r
template < typename T1, typename T2 > q@ Kk\m
struct result_2 ]UUI~sFE
{ 7u%a/ <
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; IlHY%8F{
} ; kJ8vKcc
} ; NM L|"R;
DA <ynBQ
n85r^W
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait RebTg1vGu
5gNLO\
下面我们来剥离functor中的operator() `mErF%b
首先operator里面的代码全是下面的形式: huAyjo
\y*j4 0
return l(t) op r(t) vj3isI4lU
return l(t1, t2) op r(t1, t2) *C_[jk@6
return op l(t) O<`R~
return op l(t1, t2) &telCg:
return l(t) op _om[VKJd
return l(t1, t2) op w??c1)
return l(t)[r(t)] nUqy1(
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] RWE~&w G}
X(GV6mJ4
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: q:yO92Ow
单目: return f(l(t), r(t)); Xu]h$%W
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); 1pCkWe
双目: return f(l(t)); %8Yyj{^!(
return f(l(t1, t2)); _W9&J&l0so
下面就是f的实现,以operator/为例 rbh[j@s@
zUQe0Gc.b^
struct meta_divide ]C)|+`XE@
{ t-lv|%+8
template < typename T1, typename T2 > A70(W{6a9@
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) i`~~+6`J
{ + zDc
return t1 / t2; 6$z'wy/*
} VG\mo?G
} ; "
Z;uu)NE
LVmY=d>
这个工作可以让宏来做: N *1
*tG11gR,&