一. 什么是Lambda JXF@b-c
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 t>(}LV.
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, NT [~AK9M
LD)P.
f
xw&N[y5
[e`6gGO
class filler THDyb9_g
{ dht*1i3v
public : U_C1GT-|
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ioS(;2F
} ; RE75TqYW
r4Jc9Tvd
Y**|e4
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: +`~6Weay
y8=H+Y
*Nh[T-y(s
qCgoB 0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); SpX6PwM
kG$U
vTUhIFa{
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 dn@_\5
"~/O>.p
$23dcC*hI
'nh^'i&0.
二. 战前分析
:Z5Twb3h
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ^N:bT;;$nZ
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 Q !G^CG
6'1m3<G_
d;O4)8>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); O;?Nz:/q
/* --------------------------------------------- */ uu+)r
vector < int *> vp( 10 ); %.VFj7J
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); T:(c/>
/* --------------------------------------------- */
whvvc2
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); I9;,qd%<T
/* --------------------------------------------- */ `E2HQA@
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); $^j#z^7
/* --------------------------------------------- */ /L? ia
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); rRzc"W}K+
/* --------------------------------------------- */ OtFGo8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &i?>mt
,$<="kJk
wW+@3bPl
$z5
看了之后,我们可以思考一些问题: r:Rk!z*
1._1, _2是什么? }:a:E~5y
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 jQrw^6C
2._1 = 1是在做什么? EgT?Hvx:
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 @Lf-=9
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 IG=# 2 /$
:J6lJ8w
?
$c<NEt_\
三. 动工 U[t/40W}P
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: bL]NSD
|Y&&g=7
yRv4,{B}X>
G2BB]] m3
template < typename T > hO] vy>i;
class assignment s'Wu \r'
{ n!$zO{P
T value; ];8S<KiS~
public : .DG`~Fpk
assignment( const T & v) : value(v) {} _[t:Vme}v
template < typename T2 > 7@uhw">mX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ?,0 a#lG
} ; *$yU|,
's_[#a;Vp
qaZQ1<e
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 p]erk
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment $Cx ?%X^b
GjH$!P=.
Ny2. C?2
ni`uO<\U
class holder {ZIEIXWb2
{ R7ze~[oF
public : J_rb3
template < typename T > JOFQyhY0>m
assignment < T > operator = ( const T & t) const ^ ^T e
{ #)PAvBJ;m
return assignment < T > (t); >JckN4v
} 5l[&-:(Lh
} ; ,Vr-E
WCUaXvw
xfK@tLEZ-1
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: {k8R6l1
hxe X6
static holder _1; oo2CF!Xy
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 xka&,`z
H=v=)cUe[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]m<z
而不用手动写一个函数对象。 >&%#`PKT
VtnVl`/]
Bx9v2x.
d.Ep#4
四. 问题分析 :^H2D=z@
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。 vMYL( ]e
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。 v1}9i3Or#
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ~6Pv5DKq
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 8$`$24Wx
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ^n~bx*f
1'4?}0Dok
五. 问题1:一致性 +LwwI*;b
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| [D_s`'tg
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 =}UcYC6l
=k^ d5
struct holder |e{ ^Yf4
{ 7tQ?av
// 8 @A}.:
template < typename T > SQs+4YJ
T & operator ()( const T & r) const n4InZ!)
{ %i5tf;x6i
return (T & )r; '@dk3:3t
} C8t;E`
} ; e82xBLxR%
=M9;`EmC
这样的话assignment也必须相应改动: A"i$.dR{
MnTJFo"
template < typename Left, typename Right > R@~=z5X(Q
class assignment h,|. qfUk
{ >["X(%&w
Left l; *b8AN3!
Right r; <%?!3 n*
public : c"lblt5
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 4t,f$zk
template < typename T2 > _qa9wK/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Z;~ 7L*|
} ; S\L^ZH?[2
:Lu 9w0>f
同时,holder的operator=也需要改动: #5%ipWPHb
O;+
sAt
template < typename T > U%)-_
*`z
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const =*{Ii]D
{ k&lfxb9pd
return assignment < holder, T > ( * this , t); 1+9!W
} ]FEDAGu
Q8D#kAYw
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 oy\U\#k
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 .<4U2h
rT_J6F5J
return l(rhs) = r; rT(b t~Z
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 EGVS8YP>h
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: LK+67Y{25
@{{6Nd5
template < typename Tp > IoZ_zz0
class constant_t bF'Jm*f
{ &}r-C97
const Tp t; qs{wrem
public : >|aVGY
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} w@WPp0mny
template < typename T > Fv<3VKueK[
const Tp & operator ()( const T & r) const _N:GZLG
{ 5Nl?Km~
return t; <w3_EO
} !v.
<H]s)
} ; gH
yJ~
[ji')PCAi;
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ?Ta<.j
下面就可以修改holder的operator=了 x
Nb7VUV7
qSt\ 6~
template < typename T > L)c]i'WZ
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const a66Ns7Rb
{ (_]D\g~
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); XhUVDmeUMb
} XtqhK"f%
,\T7{=ZG\!
同时也要修改assignment的operator() q$PO.#
{F;"m&3Lt
template < typename T2 > {r%T_BfY
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } '^`iF,rg
现在代码看起来就很一致了。 wZVLpF+7
_Kbj?j
六. 问题2:链式操作 Ca-.&$f
现在让我们来看看如何处理链式操作。 7(d#zu6n
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 @r=,:
'Mt
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 '<$*N
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。 1zgM$p
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ;3XOk+
3wg1wl|
template < typename T > 6O_l;A[=1
struct result_1 D$+g5u)
{ 86);0EBX
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; |
{Q}:_/q
} ; ~OWpk)Vq
(8~D^N6Z
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: DMOP*;Uk
p-xG&CU
template < typename T > +8Y|kC{9"
struct ref ]=PkgOJD
{ h>F"GR?U_(
typedef T & reference; q4v:s
} ; Rg^ps
template < typename T > !%[fi[p
struct ref < T &> hj}PL
{ Nt\0) &b
typedef T & reference; "'C5B>qO
} ; 9h/Hy aN
~E/=nv$
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: -@ra~li,yQ
^7a@?|,q8
template < typename T > I^HwXp([
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Ri\\Yb
{ "L!U7|9J
return l(t) = r(t); 'uF75C
} :| !5d{8S8
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。 Sp2DpGs~
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 9Y@ eXP
a?xZsR
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 P EMBh?)g
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: n5z|@I`S_
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 5WvsS(
9H
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 )7p(htCz5
最后的布局是: 'j-U=2,n
Add jYvl-2A'
/ \ mZG n:f}=
Divide 5 G1\F7A
/ \ vCXmu_S4^>
_1 3 V(8,94vm
似乎一切都解决了?不。 mT #A?C2
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。 E]}_hZU
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。 t1G__5wp
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: pXvys]@
nSRNd
A
template < typename Right > Zl{9G?abCT
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const t fD7!N{
Right & rt) const v^)B[e!
{ x6^Y&,y9kU
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); bDm7$ (
} F`GXho[
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 %'X~9Pvi
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。 :K 5?&kT
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。 wWSo+40
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。 )U7fPKQ
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。 1wm`a
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? /='Q-`?9
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: 81C;D`!K
?z2! ?
template < class Action > BMqr YW
class picker : public Action wa~zb!y<
{ /]U;7)
public : =z]rZSq*o
picker( const Action & act) : Action(act) {} uGF{0)0g
// all the operator overloaded D/JSIDd
} ; }+Q4s]
b^&azUkMN
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。 C"$~w3A k
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: *l;S"}b*,_
JU.!<
template < typename Right > $7W5smW/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const xcn~KF8
{ z>\l%_w
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); dwQ1~
} q]?)c
H%etYpD
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > SF9N S*mr
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 9X,iQ
IUDH"~f
template < typename T > struct picker_maker ~Uey'Xz
{ ijUu{PG`X
typedef picker < constant_t < T > > result; ;^u,[d
} ; _C(fz CK
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > :U *8S\$
{ n#}~/\P6
typedef picker < T > result; ~( 0bqt3c
} ; u{h67N
D9NQ3[R 9
下面总的结构就有了: 5gII|8>rQ
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 9D Nd} rXO
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 Bs` {qmbC
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 =m F"D:s*
至此链式操作完美实现。 KeRC8mYp
xm1'
#"lb9._M
七. 问题3 j*[P\Cm
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 v+[S${
!>D[Y
template < typename T1, typename T2 > ZNM9@;7
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const |TP,
{ TET=>6
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); lM}-'8tt?
}
iF":c}$.
_x1W\#
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: /CMgWGI
l
U8pX$
template < typename T1, typename T2 > @;$cX2
struct result_2 $v[mIR
{ S89j:KRXH%
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; %p$XK(6
} ; vd(S&&]o1
*S"RU~1_
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? dP(.l}O
这个差事就留给了holder自己。 %8h=_(X\7
<7SE|
I.G[|[. Do
template < int Order > zi3v,Kq
class holder; iETUBZ
template <> X7AxI\h
class holder < 1 > WcoA)we
{ ACi,$Uq6R
public : hczDu8
template < typename T > </D.}ia
struct result_1 }Hq3]LVE
{ Ez"*',(
typedef T & result; ZI;*X~h
} ; (,jsZ!sl
template < typename T1, typename T2 > l@*$C&E
struct result_2 :"Otsb7
{ s]OZ+^Z
typedef T1 & result; rks"y&&Nc
} ; oA@M =
template < typename T > y<w_>O
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const %8|lAMTY7/
{ -gk2$P-
return (T & )r; VFx[{Hy
} li
v=q
template < typename T1, typename T2 > /*{'p!?
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const |>.MH
{ }e/vKWfT
return (T1 & )r1; `4snTM!v&
} IN<nZ?D#
} ; Xwdcy J!
6?*Do
template <> 0kj5r*qA
class holder < 2 > ,[6Rmsk
{ d'ZB{'[8p
public : T#i;=NP"
template < typename T > x {Utf$|
struct result_1 nOd;Zw
{ XHj%U
typedef T & result; M!5=3>Z
} ; Dy,MQIM|!
template < typename T1, typename T2 > 8s2y!pn7Q
struct result_2 U5wh( vi
{ Zi+F IQ(
typedef T2 & result; Gf3-%s xA
} ; :wXiz`VH
template < typename T > %J9u?-~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const !-^oU"
{ u"V,/1++\
return (T & )r; >
^zNKgSQ
} q[W6I9
template < typename T1, typename T2 > Khi;2{`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 6E
K <9M
{ 5,##p"O(
return (T2 & )r2; -dO8Uis$
} IqFcrU$4
} ; I:/|{:5
A+8)VlE\
"{qnm+G
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 L(K 5f7\
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 5I1YB+$}e
首先 assignment::operator(int, int)被调用: nRB3VsL
R*2N\2
return l(i, j) = r(i, j); }xt^}:D
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ?!U.o1
C]8w[)d[`;
return ( int & )i; <=GZm}/]N
return ( int & )j; E;s_=j1f
最后执行i = j; MnqT?Cc4$j
可见,参数被正确的选择了。 A03io8D6
HVoPJ!K3
P ?f${t+
hBnUpYec
g[1>|Ax`'
八. 中期总结 ]?H12xz
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: i6k6l%
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 2^
]^Yc
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 CN ( :
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 0Zwx3[bq6K
xtD(tiqh.;
T=u"y;&L
p *42
@1,
}(!Uq
HQ9tvSc
九. 简化 2"Wq=qy\J
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。 q MrM^ ~
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Ul/m]b6-
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: F7O*%y.';
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 4]m{^z`1
+-*/&|^等 dWkQ NFKF
2. 返回引用。 'A.5T%n-
=,各种复合赋值等 e,p*R?Y{[
3. 返回固定类型。 [(_,\:L${
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ,)*[Xa_n
4. 原样返回。 )uOtQ0
operator, #GlFm?/6K/
5. 返回解引用的类型。 cL*oO@I&_
operator*(单目) 4hxP`!<
6. 返回地址。 S-o)d
operator&(单目) P HOngn
7. 下表访问返回类型。 {
"Cu)AFy
operator[] Hy\q{
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 `.O$RwC&7B
operator<<和operator>> *9r(lmrfj
/iM1
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。 G\MeJSt*
例如针对第一条,我们实现一个policy类: K;"oK
0LL65[
template < typename Left > HP_h!pvx
struct value_return %La7);SeY
{ 7glf?oE
template < typename T > ^`lrKk
struct result_1 }JST(d&
{ TA/hj>rV
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; b3[[ Ah-
} ; [Z2[Iy
j0+D99{R
template < typename T1, typename T2 > e#k rr
struct result_2 1)h<)
{ KJOb1MM
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; #tHYCSr]
} ; @]#[TbNo
} ; 0aY\(@
cq?,v?m
&l]F&-
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait +u=VO#IA#
QOUyD;0IW
下面我们来剥离functor中的operator() !2HF|x$
首先operator里面的代码全是下面的形式: M0lJyzJ
r`<e<C
return l(t) op r(t) k6z
]-XG
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ;}f {o^ ]'
return op l(t) |-{e!&
return op l(t1, t2) bws}'#-*
return l(t) op zE1=P/N
return l(t1, t2) op QnBWZUI
return l(t)[r(t)] &F:.V$
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] ;%
KS?;%[
@.a59kP8X
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: mD% qDKI
单目: return f(l(t), r(t)); C.#Ha-@uz
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); 3]9wfT%d
双目: return f(l(t)); ,7s+-sRG
return f(l(t1, t2)); ZG1TRF "
下面就是f的实现,以operator/为例 ^pu8\K;~
w<THPFFF"
struct meta_divide P3W3+pwq
{ Ig?9"{9p
template < typename T1, typename T2 > *a\x!c"
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) q:M'|5P
{ D`[@7$t
return t1 / t2; nM&