一. 什么是Lambda >/\TG8t,f
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 nZi&`HjQ
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, aR3jeB,=x
k-jFT3b$
<6-73LsHcP
yFk|8d-|
class filler _k]R6V:
{ R5e[cC8o.
public : l/(~Kf9eQG
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ;N.dzH2yA
} ; ggPGKY-b=
&*/= `=:C8
uT=r*p(v
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: S8AbLl9G@>
AQ$)JPs
ZgEV-.>P
=LLpJ+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); V/xXW=
~.x #ic
`scW.Vem
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Vf:.C|Z
1p~ORQ
^@/wXj:
k'%yvlv
二. 战前分析 873 bg|^hs
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 OP+*%$wR
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 %|x9C,0p#
.BJoY
<P*
3(K.:376
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8!35
K
/* --------------------------------------------- */ j)8$hK/e0.
vector < int *> vp( 10 ); ">=E p+ix
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ZFMO;'m&
/* --------------------------------------------- */ mg:kVS
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); %?n=In(F
/* --------------------------------------------- */ %|+aI?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); _YlyS )#@
/* --------------------------------------------- */ {i=V:$_#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); \y271}'
/* --------------------------------------------- */ Jq)k5X>&Sj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); *J^FV^E``
#xx.yn(7
T\.~!Q
+fY@q,`
看了之后,我们可以思考一些问题: Kh4rl)L*+%
1._1, _2是什么? #@-dT,t
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。 $W}:,]hoj
2._1 = 1是在做什么? JcYY*p
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 #QsJr_=
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Hc8^w6S1@
82 |^o
"Ia.$,k9
三. 动工 J#H,QYnf(L
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: yz0#0YG7
g]h@U&`~u_
pvl];w
OU` !c[O
template < typename T > E8PwA.
class assignment *MfH\X379
{ mEYfsO
T value; P%&|?e~D^
public : 9[\do@
assignment( const T & v) : value(v) {} :I"22EH
template < typename T2 > TT9
\m=7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } k;<@2C
} ; ,Vj&
bHm/Z Zx
RLex#j
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 13 L&f\b
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 2V;{@k
%w>3Fwj`z
61QA<Wb
A#']e 8
class holder ,)U%6=o#}
{ eQyc<
public : +MHIZI
template < typename T > zk3\v
"
assignment < T > operator = ( const T & t) const d]K8*a%[-
{ ,Gbc4x
return assignment < T > (t); Ha]vG@?+
} x(Uv>k~i}
} ; #k/T\PQ0s
d^54mfgI
+68age;dM
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: D&K9!z"]
nF]E":
static holder _1; /ho7~C+H*e
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 #X``^
;2`t0#J$]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); W\0u[IV.x
而不用手动写一个函数对象。 6yUThv.G#
%j@/Tx/
Y5ei:r|^
cGo_qR/B(>
四. 问题分析 0FL'8!e<
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|T$3j)
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 yYe>a^r4R
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ?Qd`Vlp7
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 d14@G4#Bd
下面我们可以对这几个问题进行分析。 !S7?:MJ?p\
Z$c&Y>@)
五. 问题1:一致性 /g%RIzgW
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?| 0n4( Rj|}2
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 =n=!s{A:t
)gU:Up24|"
struct holder +-TEB
{ 3NZK$d=4
// %*<Wf4P"
template < typename T >
!Q_Kil.9
T & operator ()( const T & r) const \I6F;G6
{ w AdaP9h
return (T & )r; N`,,sw
} p|qLr9\A
} ; UWqiA`,
]X7_ji(l,
这样的话assignment也必须相应改动: .i?{h/9y
B
k\KG
template < typename Left, typename Right > k[ pk R{e
class assignment q~iEw#0-L
{ Z
s|*+[
Left l; (I;81h`1G
Right r; kuLur)^
public : h)W#
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} o[JZ>nm
template < typename T2 > sm[zE/2b
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } FncP,F$8
} ; <o|k'Y(-
6
3PV R"
同时,holder的operator=也需要改动: ;InMgo,
&'DR`e O)
template < typename T > s/>0gu]A8
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ./DlHS;
{ >D##94PZ
return assignment < holder, T > ( * this , t); v^t oe
} RxV
" ,
w .M
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 dci,[TEGu
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 hWn-[w/l_
=<#++;!I
return l(rhs) = r; S}Z@g
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 dF! B5(
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 41.xi9V2
X?u=R)uG
template < typename Tp > Je^;[^
class constant_t is%ef
{ Xfb-<
Q0A
const Tp t; i8cmT+}>
public : 2Z"\%ZD
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} F!?f|z,/
template < typename T > N48X[Q*
const Tp & operator ()( const T & r) const %/nDG9l
{ (VC Jn<@@
return t; GqP02P'2
} fOsvOC
} ; ^* y1Fn0
48;b
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 c\szy&W
下面就可以修改holder的operator=了 #{k+^7aQ
8OS^3JS3"
template < typename T > _\@zq*E
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ,N_V(Cx5pt
{ wLfH/J
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); %bdBg
} VggSDb
?caHS2%?ae
同时也要修改assignment的operator() _x$Eq:
i
6I_4{
template < typename T2 > Y2ON!Rno
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Y>2#9LA
现在代码看起来就很一致了。 \SgBI/L^
BP&]t1p
六. 问题2:链式操作 \7o7~pll
现在让我们来看看如何处理链式操作。 >G [:Q
s
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。 %\'G2
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。
l]
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。 X*Q<REDB
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct u
Vv%k5
G_k_qP^:
template < typename T > z-]ND
struct result_1 cs: ?Wq ^
{ I~ mu'T
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; nI73E
} ; r4?|sAK
pma=*
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: R$eEW"]
7coVl$_Zl
template < typename T > 0}:Wh&g
struct ref )C0Iy.N-
{ uXA}" f2
typedef T & reference; r0\C2g_X
} ; 04Uyr;y
template < typename T > 7#N= GN
struct ref < T &> 64'sJc.
{ ][ 8`}ki 1
typedef T & reference; p gv, Su
} ; cxPO O#
x'Nc}
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: RO[X#c
0d0ga^O
template < typename T > k
$# ,^)T
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const uE%2kB*]
{ @aB7dtM
return l(t) = r(t); 4^ 0CHy
} !,J]5$M
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。 9m"EY@-
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ! bwy/A
kexvE 3
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 :[C|3KKe"
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: s,|v,,<+
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 W_
;b e
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 9D?JzTsyg
最后的布局是: ?;_Mx al'
Add +QSH*(,
/ \ X7?14W
Divide 5 -2C^M> HZ
/ \ r"VNq&v]9
_1 3 f$?`50D"1
似乎一切都解决了?不。 9zLeyw\
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 pG v*{.
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 |$GPJaNqa
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: Hr}\-$
GJF
,w{J
template < typename Right > Pvm pWa
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const dD
6jMl
Right & rt) const aOUTKyR ~
{ *iSE)[W
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); $>wN:uN(
} +
:b"0pu-H
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Iq{/-,v
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Nk$|nn9#'
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
Hi\jLV
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。 @cG+D
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。 |b!Bb<5
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? >v1.Gm
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: M pz9}[`3g
VAdUd {
template < class Action > g/i.b&
class picker : public Action {3Dm/u%=9|
{ ')WS :\J
public : 2UBAk')O}
picker( const Action & act) : Action(act) {} n(Um/
// all the operator overloaded sr<\fW
} ; PFbkkQKsT
++|e
z{
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。 ,L\KS^>
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: 9S5C{~P4
+\.0Pr
template < typename Right > JFkx=![
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const )[E7\pc
{ ftV~!r
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); c48I-{?
} D3+<16[,
,GtN6?
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > :vFYqoCn
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。 @G|z_
T9>,Mx%D[
template < typename T > struct picker_maker ^>y|{;`
{ \rH0=~F-P
typedef picker < constant_t < T > > result; aMxM3"
} ; ABq#I'H#@2
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Ou|kb61zg
{ uPb. uG
typedef picker < T > result; r;"Qu
} ; Zo Ra^o
hXc:y0
0
下面总的结构就有了: Bv7os3xb
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。 fz+dOIU3\L
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。 )qD V3
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 <II>io;
至此链式操作完美实现。 fV!~SX6S
?]_A~_J!
4y,pzQ8a
七. 问题3 U@}P]'`'f
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。 `mS0]/AV/
K[q-[q#yc
template < typename T1, typename T2 > PD^Cj?wm
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const z
E\~Oa;
{ tSTl#xy
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8`|Z9umW*
} }~v0o#
I
NU3s^ 8\(
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: h9&0"LHr
A%EGu4
template < typename T1, typename T2 > ;a(7%
struct result_2 w!Ii
{ `pd+as
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; >PUT(yNL
} ; 5RKs2eV
.6iJ:A6T
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? b C"rQJg
这个差事就留给了holder自己。 k!g%vx
v;s^j
C]krJse@
template < int Order > sQO>1bh
class holder; yk2XfY
template <> K6nNrd}p:
class holder < 1 > \IOF 9)F
{ 4CxU
eq
public : DV!0zzJ
template < typename T > #\6k_toZ
struct result_1 yONX?cS
{ GP=bp_L
typedef T & result; 58PL@H~@0
} ; yDi'@Z9R?
template < typename T1, typename T2 > k.%FGn'fR
struct result_2 r<$"T
{ ;4*mUD6
typedef T1 & result; W"D>>]$|u
} ; S\@U3|Q5
template < typename T > xHlO~:Lc
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const X D\;|
{ q)RTy|NJ^
return (T & )r; %)y-BdSp.
} `OWwqLoeA
template < typename T1, typename T2 > %eJE@$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const L#MMNc+
{ 0w6"p>s>c
return (T1 & )r1; 2-rfFqpe
} F441K,I
} ; \*30E<;C_
stq%Eg?
template <> >oyZD^gj
class holder < 2 > PC& (1kJ
{ %p^`,b}
public : j"vL$h
template < typename T > }`_x%]EJ
struct result_1 _Hv@bIL'
{ 'c$)}R
I7
typedef T & result; Az6tu <
} ; ohPDknHp
template < typename T1, typename T2 > bO
}9/Ay
struct result_2 rG'W#!^*
{ X>eFGCz}I
typedef T2 & result; 0G8zFe*p
} ; H|<Zm:.%$
template < typename T > bqQR";
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7Dz-xM_?
{ Q\z9\mMG-
return (T & )r; F?4&qbdD
} #!w7E,UBi
template < typename T1, typename T2 > lR5k1J1n
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 'CvV Ktk
{ :\|<7n
return (T2 & )r2; y~py+:_
} Y".4."NX
} ; :a)` iJnb
W>E|Iv[o
*;~i\M9_
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> >。 3d(:Y6D)
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: o3oTu
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 'H'R6<z5
+3r4GEa
Z
return l(i, j) = r(i, j); +w(B9rH
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Ji0FHa_
u9R@rQ9r
return ( int & )i; KH9D},
return ( int & )j; =L,7~9
最后执行i = j; )_1;mc8B
可见,参数被正确的选择了。 +.66Ky`|[
WdT iao,r
Z (C0+A\
bfKF6
=dY!-#yg!
八. 中期总结 KKNQ+'?
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: nRheByYm
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Z<[:v2
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 f
SMy?8
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 7~nuFJaTI
0W]vK$\F*
/(DnMHn\
6Vu)
rWip[>^
B[;aNyd<
九. 简化 6rN.)dL.#N
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。 %G'P!xQhy
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 9QEK|x`8
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: ;~( yv|f6
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ]eo%eaA
+-*/&|^等 >4nQ&b.u
2. 返回引用。 B;J8^esypD
=,各种复合赋值等 J(Zz^$8]<?
3. 返回固定类型。 }KR"0G[f
各种逻辑/比较操作符(返回bool) |_%q@EID
4. 原样返回。 T<o8lL
operator, *JiI>[
5. 返回解引用的类型。 qR9!DQc'
operator*(单目) uevhW
6. 返回地址。 Xt$Y&Ho
operator&(单目) \?"kT}..
7. 下表访问返回类型。 *fQn!2}=(
operator[] +RyV"&v
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 a[NR%Xq
operator<<和operator>> z#/"5 l
3?<LWrhV3
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。
V6fJaZ
例如针对第一条,我们实现一个policy类: O@`KGZEPY
3%
O[W
template < typename Left > Fq'Ds[wd5
struct value_return {Hzj(c~S?
{ YGOhUT |
template < typename T > -mG ,_}F
struct result_1 z(1`Iy
M
{ |F&02f!]@
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; pSodTG$E
} ; =&WH9IKz