一. 什么是Lambda j"=F\S&!
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 E$l 4v>iA
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, DS;,@$N_N
X<G"GaL
`|kW%L4
?-M?{De
class filler .5$"qb
?
{ J]G]
<)
public : I<E~=
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ;IyA"C(i
} ; 0PEg
`Wq
|pLx,#n
(~S=DFsP
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: h pf,44Kg
PgOOFRwP
>u?m
Bx
F(h
jP
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); (4]M7b[S$
RTC;Wj
<c'0-=
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 NJ]AxFG
`>ppDQaS)W
709/'#- ^
IQZ/8UwB
二. 战前分析 o6bT.{8\
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。 suOWmqLs
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 ,bTpD!
/3Y\s&y
^]rPda#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |WP}y-Au
/* --------------------------------------------- */ 'Fq+\J#%
vector < int *> vp( 10 ); W*2d!/;7>
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); a4d7;~tZ
/* --------------------------------------------- */ z|Y Ms?
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); L5[{taZ,
/* --------------------------------------------- */ ;f?suawMv
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ZLIt3
/* --------------------------------------------- */ '
%
d-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ~fnu;'fN
/* --------------------------------------------- */ _v6x3 Z
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); TXL!5,
X_
m&MAA^ I
jouA
]E
&&PXWR!%]
看了之后,我们可以思考一些问题: lcVZ 32MQ
1._1, _2是什么? px${
"K<
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。 .9NYa |+0
2._1 = 1是在做什么? 8
$qj&2 N
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 i(qZ#oN
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 X'uQr+p^
<aQ<Wy=\
RCqd2$K"J+
三. 动工 A3mvd-k
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ?3
S{>+'
)4#YS$B$@)
)JrG`CvdU
q-hR EO
template < typename T > c7~'GXxQ2
class assignment U9"(jl/o
{ 9Bao~(j/k
T value; !S~0T!afF
public : kqkTz_r|H
assignment( const T & v) : value(v) {} Gf=3h4
template < typename T2 > xlcL;e&^P
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } x^zw1e,y
} ; ;\g0*b(
"5HSCl$r%
oRZ98?Y\B
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %?hvN
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment y{KYR)
q6PG=9d0B
S4U}u l
[H[L};%=j
class holder KAJR.YNm
{ R53^3"q~
public : Xp+lpVcJ
template < typename T > r;^%D(
assignment < T > operator = ( const T & t) const j7BLMTF3v
{ VUi> ]v/e
return assignment < T > (t); )+Y"4?z~
} =PF2p'.o
} ; D7r&z?
s0O]vDTR,H
[ $5u:*
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Vk> &
pZcY[a
static holder _1; BCfmnE4%
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ,j6R/sg
uUiS:Tp]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 9=q& SG
而不用手动写一个函数对象。 !bCSt?}@u
j{j5TvsrY
43 vF(<r&f
..kFn!5(g
四. 问题分析 ]Cs=EZr
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 WG&! VK
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 9W0*|!tQ,+
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ppo0DC\>
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 9
JhCSw-<)
下面我们可以对这几个问题进行分析。 u`ryCZo#g
q3vv^~
五. 问题1:一致性 G6.lRaPu"m
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| "F =NDF
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 -{}h6r
*c\XQy
struct holder boI&q>-6Re
{ 's.e"F#
// NB4Q,iq$
template < typename T > Y&1N*@YP
T & operator ()( const T & r) const 3G[|4v?[<_
{ "=w:LRw
return (T & )r; )m#Y^
} ,k_"T.w
} ; BhYvEbt
$%^](-
这样的话assignment也必须相应改动: 3%+!qm
{P_i5V?
template < typename Left, typename Right > ^J&D)&"j
class assignment :C>iV+B j
{ 8_E(.]U
Left l; twu,yC!
Right r; aAbA)'G
public : ,]@K,|pC)
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ;Xf1BG r
template < typename T2 > c`/VYgcTqB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } soLW'8
} ; 9%Tqk"x?
Xt:$H6
y
同时,holder的operator=也需要改动: lu00@~rx/
?=LT
^Zp`
template < typename T > $/lM %yXe
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const D;s%cL`
{ gs3c1Qa3b
return assignment < holder, T > ( * this , t); pSb tm74
} 'pT13RFD
? )h8uf4
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 8Ji`wnkXe
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 j^5YFUwsQg
^r-d.1
return l(rhs) = r; Qu1&$oO
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。 v)T#
iw[
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: cxQAp
B~^*@5#0|
template < typename Tp > h
(q,T$7W
class constant_t +SF+$^T
{ '#yqw%
const Tp t; >DUTmJxv
public : er5!ne
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} UOFb.FRP>
template < typename T > mI5J]hk
const Tp & operator ()( const T & r) const ;:_AOb31N
{ J;NIa[a
return t; uJCp
} "AZ|u#0P
} ; !qp$Xtf+
\I:27:iAL
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ]E-3/r$_cO
下面就可以修改holder的operator=了 1I`F?MT
mZ2CGOR
template < typename T > :{N*Z }]
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const U#cGd\b
{ #Lpw8b6
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); [Q{\Ik
} %VFoK-a
.Sn{a}XP4
同时也要修改assignment的operator() u4IK7[=
WKiP0~
template < typename T2 > QmjE\TcK/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ;&n iZKoe
现在代码看起来就很一致了。 z
&Xl
$1"gFg
六. 问题2:链式操作 u3#+fn_
现在让我们来看看如何处理链式操作。 <!g]q1
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 _qR?5;v
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 YTFU#F
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 AwXzI;F^
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct L'r&'y[
z?<B@\~
template < typename T > *ma
w`1
struct result_1 5\# F5s}
{ iMJt8sd
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; l99Lxgx=
} ; :Rb\Ca
j&,Gv@
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: {N>ju
{=3A@/vM
template < typename T > zwZvKV/g
struct ref <zR{'7L/
{ OA*O =
typedef T & reference; 7tXy3-~biz
} ; 'bJGQ[c
template < typename T > -'g>i
struct ref < T &> w")
G:K
{ ':fp|m)M
typedef T & reference; 3 nG.ah
} ; t*9 gusmG
I)V=$r{
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: g%l ,a3"
2L1y4nnbwo
template < typename T > CyR`&u
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const nf^?X`g
{ S?d<P
return l(t) = r(t); aaig1#a@1b
} u0Wt"d-=
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。 g}v](Q
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 l<w7
\a6
o[cOL^Xd1
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 ]5jS6@Vl*
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: KR#,6
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ":$4/b6
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 D#L(ZlD4
最后的布局是: q4[8\Ua
Add 9^W7i]-Z
/ \ S[exnZ*Y
Divide 5 =}#yi<Lt
/ \ JY2<ECO
_1 3 T4]2R
似乎一切都解决了?不。 F*[E28ia&
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 qg& /!\
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 EjLq&QR.
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: a*y9@RC}
a~7D4G
template < typename Right > `s)4F~aVo
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const &Gjpc>d
Right & rt) const ?{qUn8f2
{ `Y:]&w
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); PP$sdmo
} (M$0'BV0
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 7.<jdp
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 a2B71 RT~
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 4W"A*A
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 [*^.$s(
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。 ,gVVYH?qR
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? E`oA(x7l
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: E xhih^[_
MvpJ0Y (
template < class Action > \W.CHSD
class picker : public Action zuLW'a6F-
{ rP4T;Clout
public : Nu6NyYs
picker( const Action & act) : Action(act) {} U`qkeNd
// all the operator overloaded d5l42^Z
} ; ZU`9]7"87B
Uw("+[ 5O0
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。 zbxW
U]<S?
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: _=~u\ $
ri{*\LV*@
template < typename Right > P:'wSE91
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const nZbI}kcm
{ :EV.nD7
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); $XhMI;h
} BuV71/Vb{Q
P`lv_oV
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > |T6K?:U7
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。 [Kwj
7q`
JJd qdX;
template < typename T > struct picker_maker RRt(%Wm*
{ wtek5C^
typedef picker < constant_t < T > > result; \Osu1]Jn>
} ; WiytHuUF
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ZRxOXt&;
{ ?$6H',u
typedef picker < T > result; U*[E+Uq}:N
} ; l1 Kv`v\
>}V?GK36
下面总的结构就有了: tVRN3fJH
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。 j+_fHADq
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。 BX?DI-o^h
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 _iJ~O1qx,w
至此链式操作完美实现。 45c?0tj
Y6v{eWtSn
h9Far8}
七. 问题3 "r&,#$6W6
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 P$ o bID
cX-M9Cz
template < typename T1, typename T2 > N]+6<
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Q~(Gll;
{ '3b\d:hN
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); r"dIB@
} ]W5*R07
UTkPA2x
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: LU:xmDv
|'?vlUCd
template < typename T1, typename T2 > `NW/Z/_
struct result_2 N[/<xW~x?4
{ pt<zyH3Z
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; &zJI~R
} ; dTg`z,^F
/]`@.mZ9:
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? 3NpB1lgh&:
这个差事就留给了holder自己。 q}P@}TE
DO:,PZX
J9mK9{#q
template < int Order > <T_3s\
class holder; *C*ZmC5
template <> n-ffX*zA(
class holder < 1 > RM|J |R
{ tY)L^.* 7
public : ~qghw@Q~
template < typename T > +5zXbfO
struct result_1 gs'M^|e)
{ Nj>6TD81u
typedef T & result; (TT=i
} ; ]rlZP1".
template < typename T1, typename T2 > hObL=^F
struct result_2 &42]#B"*
{ Ooz,?wU6
typedef T1 & result; .==D?#bn
} ; *k LFs|U
template < typename T > /L^g. ~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const b&rBWp0#
{ G WIsT\J
return (T & )r; ;b {#$#`=
} zq};{~u(
template < typename T1, typename T2 > rwq
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const P=n_wE
{ Yqs=jTq`{
return (T1 & )r1; c<$<n
} z&%i"IY
} ; m# {'9 |
'8q3ub<\
template <> z0 9Gp}^;
class holder < 2 > oV%:XuywT
{ MRLiiIrq,5
public : B"GC|}N)v
template < typename T > ;"MChk
struct result_1 +dCDk* /m
{ 0/Q_%
:
typedef T & result; 3:WqUb\QK
} ; %OBW/Ti
template < typename T1, typename T2 > 0<m7:D
Gd
struct result_2 &BPYlfB1
{ d1D
f`
typedef T2 & result;
DN2 ]Y'
} ; Cf[tNq
template < typename T > roS" q~GS,
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const v,-Tk=qP
{ v?`R8
return (T & )r; ahl|N`
} l?m"o-Gp3
template < typename T1, typename T2 > =!\Nh,\eQ
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const geG0F}oC!
{ wsQnjT>
return (T2 & )r2; qf0pi&q
} Nh!`"B2B
} ; [\ao#f0WR
\ja6g
UXct+l
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> >。 1ubu~6
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: hV7EjQp
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ,j%\3g`
QEJu.o
return l(i, j) = r(i, j); oZ%uq78#[%
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) &hWELZe0vv
b-&rMML
return ( int & )i; iE'_x$i
return ( int & )j; I*-\u
最后执行i = j; 8&@=Anc&q
可见,参数被正确的选择了。 m^ xTV-#l@
e)e(f"t6Q
qR@ESJ_
TZgtu+&
E^-c,4'F
八. 中期总结 "uBnK!
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: \tgY2:
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 e4YfJd
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @D9O<x
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor zB%~=@Q^6
? $B4'wc5
6{+yAsI
L2VwW
fJLl-H
ko}& X=
九. 简化 ;<FAcR
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。 %j&vV>2
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 +-!3ruwSn
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: d*6f,z2=
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 :BxO6@>Xc
+-*/&|^等 H1-DK+Q:
2. 返回引用。 b~.$1oZ
=,各种复合赋值等 )9 Q+07
3. 返回固定类型。 ,kJ'_mq
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ,l&?%H9q
4. 原样返回。 Gpu[<Z4
operator, s,_+5ukv
5. 返回解引用的类型。 K28L(4 )
operator*(单目) %B@NW2ZQ[
6. 返回地址。 P`Zon
operator&(单目) u$JAjA
7. 下表访问返回类型。 "(mJupI
operator[] I"x'
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 *8)?ZZMM
operator<<和operator>> C1-U2@
:-x?g2MY
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。 a?-J j\q
例如针对第一条,我们实现一个policy类: m'2F#{
Ft>B% -;
template < typename Left >
hlVC+%8
struct value_return b()8l'x_|K
{ wiI@DJ>E
template < typename T > ^y>V-R/N
struct result_1 VESvCei
{ xC<