一. 什么是Lambda *;yn_zg
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 !E|k#c9
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, E5F0C]hq
![a~y`<K,
rYwUD7ip
'`fz|.|cbB
class filler JypXQC}~
{ j: /cJt
public : N"q C-h
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} e3b|z.^ 8
} ; dw]wQ\4B
l9X\\uG&
T&PLvyBL
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: FkJX)
1xE*quhrh
8'6$t@oT9w
K]Onb{QY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); aj)?P
a#o6Nv
OGqsQ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 , %%}d9
v9R"dc]0h
[#-!&>
0[T>UEI?
二. 战前分析 WbP*kV{
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 nfbq J
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 &9F(uk=X
T^~9'KDd
{IpIQ-@l
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); e=%6\&q
/* --------------------------------------------- */ lYMNx|PF
vector < int *> vp( 10 ); I_h{n{,sr
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 81<0B@E
/* --------------------------------------------- */ X0"f>.Lg
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); hpVu
/* --------------------------------------------- */ Qo;#}%}^^
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 8${Yu
/* --------------------------------------------- */ eX@7f!uz
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); J\ V.J/
/* --------------------------------------------- */ GxR, 3
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); {BlKVsQ
U\\nSU
,@'M'S
+\ O[)\
看了之后,我们可以思考一些问题: wuQ>|\Zs
1._1, _2是什么? tSvklI
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。 )"o+wSI1
2._1 = 1是在做什么? p!~{<s]
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。 ;y{VdT
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。 J|BZ{T}d
2!4.L&Ki
}lzQMT
三. 动工 m*^|9*dIC
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: k-LT'>CWl
2i@t;h2E
?98]\pI
_2,eS[wP
template < typename T > U8b1
sz
class assignment pM i w9}
{ <XHS@|
T value; X}5aE4K/
public : h1 D#,
assignment( const T & v) : value(v) {} _>moza
template < typename T2 > Q&9%XF
uM
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ,OQ!lI_`R
} ; $.z~bmH"D
vsM] <t
BI\+NGrB
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 f2#9E+IQ
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment cc%O35o
($oO,
c'z
=!#iC?I
4#qjRmt
class holder $pT%7jV}
{ #89h}mp'
public : Bn"r;pqWiT
template < typename T > $nOd4{s_
assignment < T > operator = ( const T & t) const F)0I7+lP
{ YORFq9a{R
return assignment < T > (t); Rro{A+[,X
} ~Lc>~!!t
} ; wnE
c
!vQ!_|g1
1@ j>2>i
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: I>27U<PX
>t"]gQHtx
static holder _1; (Jw[}&+
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 !k&~|_$0@
[LonY49
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); id-VoHdK
而不用手动写一个函数对象。 Hr$oT=x[
MGO.dRy_
c#G]3vTdE
n(Up?_
四. 问题分析 $l&&y?()
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ~?}/L'q!b
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 }eX_p6bBw
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 X*~NE\
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 -?b@ 6U
下面我们可以对这几个问题进行分析。 G5Ci"0
1q!JpC^
五. 问题1:一致性 f= }Mr8W'
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| eh'mSf^=p
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 L!L/QG|wdf
DJE/u qE
struct holder V=|^r?
{ 8-5a*vV,>
// rI}E2J
template < typename T > ~zz |U!TG
T & operator ()( const T & r) const ru`;cXa,
{ k~Pm.@,3o
return (T & )r; !v2,lH
} l\^q7cXG
} ; LeW.uh3.
e![Q1!r
这样的话assignment也必须相应改动: lq@Vb{Z
[&*$!M
template < typename Left, typename Right > {K'SOhH4?
class assignment wN)R !6
{ Xh]\q)
Left l; b,a\`%m}
Right r; ^+[o+
public : 2vnzB8"k
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} FGx_qBG4|
template < typename T2 > xgR* j
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 7o
z(hO~
} ; Ut-6!kAm
FbM5Bqv
同时,holder的operator=也需要改动: ^@L[0Z`
U8-9^}DBA
template < typename T > ]@J}f}Mjo
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const @`.u"@
{ gE=~.P[ZX
return assignment < holder, T > ( * this , t); fnnwe2aso
} vP}K(' (
^qbX9.\
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。 +$>ut
r
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ):78GVp
3r em"M
return l(rhs) = r; 29ft!R>[
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。 YY!(/<VI
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: _ga!TQ:
:e@JESlLf
template < typename Tp > 8VcAtrx_
class constant_t R~*Y@_oD
{ ga^<_;5<
const Tp t; *gz {:}NX
public : #>'1oC{
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} \Di~DN1
template < typename T > pjj
5
const Tp & operator ()( const T & r) const G^mk<pH
{ rF0zGNH
return t; ^RWt
} *vAOUqX`x
} ; g&0GO:F`
-N\{QX1Yd
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 K[sM)_I
下面就可以修改holder的operator=了 ?XOeMI
9jPb-I-
template < typename T > 2Bjp{)*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const {t/!a0\HS
{ <M'IRf/D
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 9_>4~!x`
} iKabo,~
Y(SI`Xo[
同时也要修改assignment的operator() b"FsT
<uTsXv
template < typename T2 > 3X!~*_iC
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } $Qy(ed
现在代码看起来就很一致了。 pO+1?c43
2FVKgyV
六. 问题2:链式操作 3+|6])Hi1
现在让我们来看看如何处理链式操作。 uBE,z>/,;
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 <Ab:yD`K!
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 J$I1*~I4v
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。 `u>BtAx8
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct @J<B^_+Se
O[L8(+Sn
template < typename T > dY-a,ch"8p
struct result_1 >Au<y,Tw
{ >A,WXzAK}S
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 3N*Shzusbt
} ; 2mlE;.}8
$GO'L2oLwn
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: ^p7(
rb tV,Y
template < typename T > 4P~<_]yf
struct ref \~)573'
{ \34|9#*z-
typedef T & reference; 2@&|hd=-
} ; nIi_4=Z
template < typename T > t!u*6W|@
struct ref < T &> M<p )@p
{ :9h8q"T
typedef T & reference; Gj ^bz'2
} ; |TUpv*pq
Np-D:G
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Q~@8t"P
9bNIaC*M
template < typename T > G2^DukK.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const VDPN1+1*
{ }1W$9\%
return l(t) = r(t); y*(YZ zF
} @iP6N
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Ur-^X(nL
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 _N:h&uw
u=l(W(9=
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 _[phs06A
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: eLYFd,?9
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 YQ)m?=+J
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 OWjZ)f/
最后的布局是: 8
KkpXaz
Add \;6F-0
/ \ VxFy[rP
Divide 5 Ji!-G4.n"
/ \ ^"l$p,P+
_1 3 []]3"n
似乎一切都解决了?不。 g7P1]CZ}
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。 IID(mmy6
L
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。 l =yHx\
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: 9A_7:V]_
/)I9+s#q9o
template < typename Right > vvM)Rb,
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 6-=_i)kzq
Right & rt) const }gW}Vr <
{ 7asq]Y}<
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 'MUrszOO.e
} qc6IH9i`
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 %yMzgk[u
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。 `-H:j:U{
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。 ?W
n(ciO
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。 :65HMWy.
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。 f$>orVm%.
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?
m#nxw
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: jyGVb no`
2 QmUg
template < class Action > ]p!J]YV ]0
class picker : public Action }SV3PdE
{ 5G<CDgl^!
public : 4cQ5E9
picker( const Action & act) : Action(act) {} {Pb^Lf >
// all the operator overloaded Flxo%g};
} ; `0^i
#
Ng"vBycy
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。 i-?zwVmn
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: x3s^u~C)(w
Wn^^Q5U#
template < typename Right > faq
K D:
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const %jxuH+L
{ >D/~|`=p
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); z\tJ~
} B0i}Y-Z
T]|O/
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > gn"&/M9E
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。 OQ7c|O
'u[o`31.
template < typename T > struct picker_maker sPg6eAd~?
{ k^pu1g=6I
typedef picker < constant_t < T > > result; Y/0O9}hf
} ;
j>*SJtq7
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > $Jm2,Yv
{ 6Qb)Uq3}]
typedef picker < T > result; u mlZ(??.
} ; h`]/3Ma*:
&XRFX 5gP
下面总的结构就有了: 5uo(z,WLR
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。 l~YNmmv _
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。 #0u69
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Yd;r8rN
至此链式操作完美实现。 q=Yerp3~
C/waH[Yzan
UWp8I)p!\O
七. 问题3 l _O~v?
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。 RuNH
(>Eb
ennz/'
template < typename T1, typename T2 > t4_K>Mj+d
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 6wB>-/'Y
{ 0NtsFPO
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); _-\s[p5
} ZPsY0IzLo
G=cH61
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: 2w|u)ow)
%`QsX {?,
template < typename T1, typename T2 > ;lH,bX~5
struct result_2 eH
{ T(UYlLe
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; )95yV;n
} ; 2U'JzE^Do
&PuJV + y
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? H}V*<mgw
这个差事就留给了holder自己。 $Q?G*@y
Zfv(\SI
s66XdM
template < int Order > ~cBc&u:"
class holder; Z034wn\N
template <> jL+}F /~r
class holder < 1 > 'uACoME@
{ hav?mnVJ
public : 0^.4eX:E_
template < typename T > +N$7=oGC
struct result_1 /v)! m&6]>
{ tc<M]4-
typedef T & result; [y[v]'
} ; .cS,T<$
template < typename T1, typename T2 > 0aTbzOn&
struct result_2 G\N"rG =
{ SE9u2Jk
typedef T1 & result; @GZa:(
} ; ~oA9+mT5
template < typename T > }t
D!xI;
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 8N*
-2/P&
{ liw 9:@+V
return (T & )r; z!C4>,
} G\>\VA
template < typename T1, typename T2 > +.#S[G
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const `J#xyDL6?
{ l[ ": tG
return (T1 & )r1; a]Da`$T
} uM)9b*Vbo
} ; K:
o|kd
;=VK_3"
template <> \v3>Eo[
class holder < 2 > f93rY<
{ %r
public : 7R<u=U
template < typename T > RQS:h]?:l
struct result_1 m)|.:sj
{ ZYR,8 y
typedef T & result; aQ&8fteFR
} ; lDPRn~[#\
template < typename T1, typename T2 > hW!@$Ph
struct result_2 #D LT-G0
{ h[je _^5
typedef T2 & result; g1 Wtu*K3
} ; yp2 'KES>
template < typename T > TQ\wHJ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const fFZ`rPb
{ ,gL)~6!A
return (T & )r; N 1f~K.e\
} 6 ,pZRc
template < typename T1, typename T2 > N<Z)b!o%u
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 7{+Io
{ `b#nC[b6|v
return (T2 & )r2; X:SzkkVl7
} $Y 4ch ko
} ; gc2|V6(
Y6<0%
u5XU`!
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> >。 OU.9 #|q U
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: j&[3Be'pQ
首先 assignment::operator(int, int)被调用: J'&B:PZObB
( ln
return l(i, j) = r(i, j); (m3I#L
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) :S99}pgY
9u7n/o&8v6
return ( int & )i; M ,_^hm7
return ( int & )j; j^$3vj5E[
最后执行i = j; JM+sHHs
可见,参数被正确的选择了。 xH`j7qK.
iZ.&q
6
kf^-m/
|Y8Mk2,s
g"Q}h
八. 中期总结 3h[:0W!C]
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 'x45E.wYw
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 qD$GKN.
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Z\*5:a]
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor LN~N
Fjs
??\*D9rCn
iUxDEt[t*
fD\^M{5f
^aD/ .
N}}PlGp$
九. 简化 zy5s$f1IA
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 fVA=<:
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 cFI7}#,5
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ^`TKvcgIc
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 3D$\y~HU
+-*/&|^等 4iYKW2a
2. 返回引用。 v't6
yud
=,各种复合赋值等 c_-" Qo
3. 返回固定类型。 ,Y g5X
各种逻辑/比较操作符(返回bool) *fQ?A|l!x
4. 原样返回。 @;m@Luk
operator, A4#3O5kij
5. 返回解引用的类型。 "
g0-u(Y
operator*(单目) O{")i;v@
6. 返回地址。 y?Hj%,
operator&(单目) ^:cb
$9F
7. 下表访问返回类型。 VNr
operator[] I!F}`d
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ,Ou1!`6?t
operator<<和operator>> %2Xus9;k#
X]zCTY=l
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 ')P2O\YS
例如针对第一条,我们实现一个policy类: j'#jnP*P
\'s$ZN$k
template < typename Left > r3[t<xlFf
struct value_return r}_Lb.1]
{ ;l/}Or2
template < typename T > +K$5tT6b
struct result_1 XQ0#0<
{ u5cVz_S
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; W2F+^
} ; Nh1e1m?
0okO+QU,a
template < typename T1, typename T2 > ;B|^2i1Wi
struct result_2 #uD)0zdw
{ (<]\,pP0_
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; u|m[(-`
} ; gJ FR1
} ; B&4fYpn
RI[7M (
ueWR/
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait iioct_7,g<
bxd3
下面我们来剥离functor中的operator() 9:9N)cNvfX
首先operator里面的代码全是下面的形式: ?$30NK3G
bk\dy7
return l(t) op r(t) "t(1tWO1o
return l(t1, t2) op r(t1, t2) !F0rd9
return op l(t) RsqRR`|X?
return op l(t1, t2) !q~X*ZKse
return l(t) op 7gVh!rm
return l(t1, t2) op J^ +_8
return l(t)[r(t)] #;\L,a|>*
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] 2X qTyf<
_Hz~HoNU
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
单目: return f(l(t), r(t)); ,h%D4EVx
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); '2Q.~6
双目: return f(l(t)); J<