一. 什么是Lambda \G0YLV~>P
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 `pb=y}
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, 2BKiA[
;;
|(<A)C
1B#iJZ}
.wV-g:2
class filler 7@R^B =pb
{ k4d;4D?
public : 0.\}D:x(z
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ,. zHG
} ; 5O(U1
*
o)f$ 7.
Tn"@u&P
*
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: \kZ@2.pN
eZ]>;5
n8E3w:A-
mlYkn
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); C#V_Gb
J`4V\D}n
C|V5@O?;&
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 :N!s@6
SdF+b+P]
"574%\#4z
l)e6*sDZ,
二. 战前分析 $O&N
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Q\W)}
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 Y <`X$
&_q8F,I \<
p"7]zq]'
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]s0GAp"
/* --------------------------------------------- */ Zt&
7p
vector < int *> vp( 10 ); K8/jfm
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ~|[i64V<^
/* --------------------------------------------- */ j115:f
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Rh!m1Q(-
/* --------------------------------------------- */ ?\I@w4
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); c'XSs
/* --------------------------------------------- */ La28%10
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); k0&FUO
/* --------------------------------------------- */ 6B]i}nFH{+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 7|"l/s9,
rmi&{o:
qu.AJ*
#)m[R5g(
看了之后,我们可以思考一些问题: Adet5m.|[8
1._1, _2是什么? ~]24">VZf
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。 m7`S@qG
2._1 = 1是在做什么? sOVpDtZ]LR
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。 A>,kmU5
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。 {H>Tv,v|
M;W&#Fz%
jd2 p~W
三. 动工 2s=zT5
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: !acuOBv,
#S]O|$&*
7L!}F;yT
m^zD']
template < typename T > Bp5%&T k
class assignment ++UxzUd
{ 9ei<ou_s
T value; 'f0R/6h\3s
public : "$b{EYq6
assignment( const T & v) : value(v) {} T*S)U ;
template < typename T2 > bl^pMt1fv
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } O$x +>^
} ; xXnSo0`LF
aO}p"-'
nET<u;
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 rLY I\
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment bMsThoePT
zlB[Eg^X
xSO5?eR"u
1H\5E~X
class holder <Fv7JPN%
{ S;/pm$?/
public : 7*%}=.
template < typename T > O'(D:D?
assignment < T > operator = ( const T & t) const |MN2v[y
{ _RS
CyV
return assignment < T > (t); QxuU3#l
} ,,1y0s0`
} ; 6ZwQ/~7H
dtjb(*x
/1m+iM^V
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: zTl,VIa3p
dj4a)p|YN
static holder _1; ![eY%2;<
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 U]B-B+-
eYn/F~5-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Bk@EQdn
而不用手动写一个函数对象。 B/mfm 7
h`eHoKJ#w
56u_viZ=8
mVN\
四. 问题分析 loHMQKy@
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。 }7K~-
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。 <u1`o`|-
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 PBcb*7W
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 E70o nR!i
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ^; }Y ZBy
x8C
*
五. 问题1:一致性 ^4p$@5zH
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?| >wFn|7\)s>
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 *y` (^kyS
DeeV;?:
struct holder }AiF 7N0
{ ;#8xRLW
// ~BE=z:
template < typename T > <xrya_R?
T & operator ()( const T & r) const fQ-IM/z
{ i=hA. y`
return (T & )r; ixoN#'y<"
} 5zyd;y)|'
} ; CL?=j| Ea
Fiw^twz5
这样的话assignment也必须相应改动: e?
|4O<@
!t{
template < typename Left, typename Right > P?jI:'u!R.
class assignment G_WHW(8
{ H|MAbx
7
Left l; nU6UjC|3
Right r; Jp_ :.4
public : 0,8RA_Ca}
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 6(Ntt
template < typename T2 > ZsYY)<n
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } YM.
} ; ;RQ}OCz9}8
:o~]d
同时,holder的operator=也需要改动: ; 3sjTqD
K!2%8Ej,J
template < typename T > pwB>$7(_h
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const myd:"u,}9
{ WY5HmNX3E
return assignment < holder, T > ( * this , t); (B?ZUXM,
} C0>L<*C
jz>b>;
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 Im]6-#(9\|
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ,,Ivey!kL
#>sIXY
return l(rhs) = r; <7gv<N6BQf
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 HXPq+
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: [8Z
!dj
glBS|b$\:
template < typename Tp > @Q&k6.{4Z
class constant_t %&s4YD/{
{ S&D8Rao5
const Tp t; K `A8N
public : T{=&>pNK[
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ~]n=TEJ>
template < typename T > r$x;rL4
const Tp & operator ()( const T & r) const R D?52\
{ !!cN4X
return t; mrr -jo
} ;Sp/N4+
} ; L@ejFXQg
x,fL656t
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 IlB*JJnl
下面就可以修改holder的operator=了 M)H*$!x}>
A\13*4:;l
template < typename T > _c}# f\ +_
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const )#`&[9d-
{ %'S[f
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Yvu?M8aK!
} u*rHKZ9i
?0qP6'nWx
同时也要修改assignment的operator() x+DecO2
cIP%t pTW.
template < typename T2 > }XqC'z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ;<nJBZB9u
现在代码看起来就很一致了。 y!
QYdf?
Hxleh><c-
六. 问题2:链式操作
b #Llu$
现在让我们来看看如何处理链式操作。 #q xo1uV(c
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。 ,lFp4 C
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。 432]yhQ
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。 #Jr4LQ@A9
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct *.Z~f"SZy*
Yb1Q6[!
template < typename T > mU.c!|Y
struct result_1 {i}E)Np
{ 1xSG(!
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; o/oLL w
} ; "b%FkD
2IUd?i3~l
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: Ds#BfP7a
KKWvV4u
template < typename T > k|U2Mp
struct ref pbw{EzM
{ OB*V4Yv
typedef T & reference; ?/myG{E
} ; G.PRPl
template < typename T > c]/S<w<
struct ref < T &> )V&hS5P=S
{ qdxaP% p2
typedef T & reference; aPQxpK?
} ; ?0?3yD-!9
E>`|?DE@
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: dP`B9>r
dlIYzO<
template < typename T > 7!\zo mx
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const "M3;>"`G
{ -:OJX #j
return l(t) = r(t); \f)GW$`
} ?Ygd|a5
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ./L)BLC i
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 bZ``*{I/
BRM!g9
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 `!AI:c*3p1
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: `#vbV/sM
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 gga}mqMv=
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ;47z.i&T
最后的布局是: KSHq0A6/q%
Add a6 1!j>Kx
/ \ tw&v@HUP
Divide 5 mCG&=Fx
/ \ *>1^q9M
_1 3 k%Vprc
似乎一切都解决了?不。 _x|.\j
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 lk[Y6yE
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 e =r
b
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: K1Uq`T J
t,IOq[Vtk
template < typename Right > DfP-(Lm)
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const =I@I
Right & rt) const 0!7p5
{ Z#bO}!
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); y@<2`h
} -a &<Un/
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ! ?/:p.
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Pg{1' -
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 _53~D=
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 m}\QGtJ6
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 Lj9RF<39g
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 4+s6cQ]S`
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: k)|.<
<aDZ{T%
template < class Action > >%0$AW|Exu
class picker : public Action >]z^.U7=
{ 2J8:_Ql3I
public : F=
%A9b_a
picker( const Action & act) : Action(act) {} q!?*M?Oz
// all the operator overloaded ,"XiI$Le
} ; 8W?dWj
0GXY2+p}S
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。 G{E`5KIvm
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: ^W,5A;*3
>3Q|k{97
template < typename Right > Xq&BL,lS
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const =R|XFZ,
{ s&(;
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,3y9yJQa*#
} jWv'`c
|=m.eU
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > n=vDEX:'
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。 C5,fX-2Q
$R1I(sJ
template < typename T > struct picker_maker ]p3f54!
{ h0@a"DqK
typedef picker < constant_t < T > > result; tmooS7\a
} ; ACdPF_Y]
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ABX%oZ7[|o
{ G~YZ(+V%~
typedef picker < T > result; Z,A $h>Z
} ; vjlN@
"
O'mcN*
下面总的结构就有了: ]myRYb5Z
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。 @we1#Vz.
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。 _!@:@e)yB{
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 "J 1A9|
至此链式操作完美实现。 MMs~f*
JfIXv
7|DG1p9C
七. 问题3 -}|L<~
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。 jTvcKm|q
d?2ORr|m=
template < typename T1, typename T2 > VAz4@r7hkq
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const gHrs|6q9
{ f
+{=##'0
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 6*q1%rs:w
} FklR!*oL,)
jtP*C_Scv/
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: ,,gMUpL7_8
oLT#'42+H
template < typename T1, typename T2 >
?<EzILM
struct result_2 h*k V@Dc
{ %8FfP5#
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; wtY)(ka
} ; $^ee~v;m4
olE(#}7V
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? &q-&%~E@
这个差事就留给了holder自己。 p%I'd^}.!
.B:ZyTI
EAGvP&~P
template < int Order > !C#oZU]P
class holder; QnWE;zN[7A
template <> |Vx[
class holder < 1 > cag 5w~Px
{ eU1F7LS
public : {EoYU\x
template < typename T > gyw=1q+
struct result_1 *[Z`0AgP
{ HAxLYun(3w
typedef T & result; `Nx@MPo
} ; Kjd3!%4mB
template < typename T1, typename T2 > _QL|pLf-
struct result_2 vB8$Qx\J
{ K81X32Lm'
typedef T1 & result; -V/y~/]J
} ; )D+BvJ Y"
template < typename T > <=M5)#
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const >n"0>[:4
{ 3ZXAAV
return (T & )r; >dl5^
}
XIInI
template < typename T1, typename T2 > J4T"O<i$58
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const NUV">i.(
{ a{kJ`fK
return (T1 & )r1; ihrf/b
} k&$ov
} ; ip-X r|Bq
?Y4 +3`\x
template <> !mlfG"FE
class holder < 2 > xMjhC;i{
{ cMY}Y
[2c
public : D$}hoM1
template < typename T > 3FiK/8mu
struct result_1 QX=TuyO
{ >(RkoExO/
typedef T & result; cq
I $9
} ; 5P!ZGbG
template < typename T1, typename T2 > hEZvi
struct result_2 +``vnC
{ 50_[hC&C)
typedef T2 & result; 6Z_V,LD9L
} ; 7Eyi~jes
template < typename T > w%])
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 5A0]+)5E8
{ Hu|Tj<S
return (T & )r; /8l-@P.o
} H$I~Vz[\yb
template < typename T1, typename T2 > s<YN*~
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z<X=00,wg
{ apL$`{>US
return (T2 & )r2; >$m<R&
} eo]nkyYDP
} ; B?j t?
&~_F2]oM
u>
{aF{
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> >。 ^%f8JoB
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: SJiQg-+<Uf
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 9k6s
0nt@}\j
return l(i, j) = r(i, j); s{^B98d+W
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) (_pw\zk>
c6:uM1V{
return ( int & )i; fG0ZVV!
return ( int & )j; }c8nn
最后执行i = j; 0qN`-0Yk
可见,参数被正确的选择了。 <+*0{8?0
FJ0I&FyWs
`CWhjL8^
: #a
5UQ{qm*Q
八. 中期总结 UBL{3s^"
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: QT c{7&
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 U`6|K$@
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ?s2-iuMPd
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor q(n"r0)=
!=YE hQ-
a_Xwi:e<
qm_l#
u6
c'Z=uL<Rm
i|{psA
九. 简化 Vit-)o{zr
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。 bUcp8
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 =][
)|n
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: ]$2 yV&V