一. 什么是Lambda <$:Hf@tpMo
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~T'!.^/
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, y%wjQC 0~
&_Vd
Z1&<-T_
pOmHxFOOK
class filler =Zt7}V
{ HOY@<'
public : fxcCz 5
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} "QV?C
} ; ZD`9Ez)5
(Y[q2b
DO5H(a
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: dyyGt}}5f
k~|5TO
yE3l%<;q
av; ~e<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); @`D`u16]i
7hq$vI%0
NH$!<ffz
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 5@3hb ]J
{*lRI
k2@|fe
!^h{7NmP[
二. 战前分析 l`V^d
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 &>KZ4%&?
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 0Xe?{!@a
o;^k"bo6
wq6.:8Or-]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 );
[<!4 a
/* --------------------------------------------- */ IMF9eS{L
vector < int *> vp( 10 ); 'xn3g ;5
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Q"Ur*/-U
/* --------------------------------------------- */ s6F^z\6
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); %
a9C]?
/* --------------------------------------------- */ ymr#OP$<S
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Xb'UsQ
/* --------------------------------------------- */ 0;6^fiSY;
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); uY"Bgz:=d
/* --------------------------------------------- */ aEJds}eE6)
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); >ow5aOlQ&
K3xs=q]:@
7G 3*@cl
y wf@G;
fK
看了之后,我们可以思考一些问题: rO;Vr},3\%
1._1, _2是什么? +j">Ju6Q;.
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。 ~4t7Q
2._1 = 1是在做什么? 08pG)_L
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\[EI^
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。 O.+02C_*
Obl,Qa:5
B]C 9f
三. 动工 YH
.+(tNv
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: YYzl"<)c
zo{WmV7[|
z}sBx9;
8`4Z%;1
template < typename T > 8<w8"B.i
class assignment A@HCd&h
{ ex}6(;7)O
T value; ]|#%`p56
public : fg8"fbG`:
assignment( const T & v) : value(v) {} )K"7=TvY
template < typename T2 > uz8Y)b
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 1|8<!Hx#-
} ; |mO4+:-~D+
omEnIfQSO
5kju{2`GF
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 d#OE) ,`
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment d_r1}+ao
^7zXi xp
54geU?p0
'*XX|\.
class holder g,,'Pdd7Pn
{ {;0+N -U
public : ? 016
template < typename T > }.$5'VGO
assignment < T > operator = ( const T & t) const s<;kTReA
{ MNzWTn@
return assignment < T > (t); pndAXO:v
} Z8yt8O
} ; A@I ( &Z
yo=0Ov
x+V@f~2F
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: <`/22S"
'A}@XGE:p
static holder _1; Sph:OX8
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 $^XCI%DH
{G^f/%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 3%'Y):
而不用手动写一个函数对象。 q4wS<,3
XzH"dDAVE
LE1#pB3TG
F]4JemSjK
四. 问题分析 QT\=>,Fz _
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 o[ua$+67E
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。 kbHfdA
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 JJ=%\j
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 )t#v55M
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ja_.{Zv
WU"
Lu
五. 问题1:一致性 ha -KfkPFE
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?| `ywI+^b
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 )rce%j7
]g0h7q)79
struct holder Munal=wL
{ 3gcDc~~=
// 1q Jz;\wU
template < typename T > aGRD`ra
T & operator ()( const T & r) const 8qi6>}A
{ =bwuLno>
return (T & )r; =OUms@xcE
} n( } zq
} ; NUvHY:
*Mg. *N
这样的话assignment也必须相应改动: *=p[;V
(X?'}Ur
template < typename Left, typename Right > >Y\$9W=t
class assignment 1m5=Nu
{ |'R^\M Q
Left l; R
| &+g\{;
Right r; zx7g5;J
public : #Xa TUT
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} (Q /Kp*a
template < typename T2 > $0OWPC1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } mTsl"A>
} ; X-$\DXRIo
M~uX!bDH
同时,holder的operator=也需要改动: 6L)]nE0^
jwe^(U
template < typename T > P t)Ni
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 8>KBh)q
{ "yo~;[
return assignment < holder, T > ( * this , t); 3r[}'ba\
} H}[kit*9
R;{y]1u
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。 r-,P
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 |~Op|gs
j18qY4Gw)
return l(rhs) = r; \`!M5FJ
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。 >n^| eAH
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ~}g"Fe
hA0g'X2eC
template < typename Tp > g+xA0qW
class constant_t 06dk K)`
{ >kLUQ%zE@
const Tp t; -S7y1 ) 7
public : NdlJdq
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 9P M\D@A{
template < typename T > :*`5|'G}
const Tp & operator ()( const T & r) const }z$_=v
{ =(-oQ<@v
return t; @/w($w"
} f'2Ufd|J|
} ; _W3>Km-A=/
-ST[!W V
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ;Az9p h
下面就可以修改holder的operator=了 j1yW{
&QoV(%:]
template < typename T > _^;;vR%
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const \U0p?wdr:
{ Pl>S1
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); t5qNfiKC
} VEuT!^0Z
6]/LrM, 23
同时也要修改assignment的operator() h
dw~AGO#
t.7KS:
template < typename T2 > Tr}
r`
%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } [ ;$(;
现在代码看起来就很一致了。 _,U`Iq+X
'rX!E,59
六. 问题2:链式操作 "|\G[xLOaW
现在让我们来看看如何处理链式操作。 u$"dL=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。 C_RxJWka
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。 **%/Ke[
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。 k6pXc<]8
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 5c W2
"i}?jf
{a
template < typename T > !5/jDvh
struct result_1 Q|O! cEW/
{ |Zn|?#F
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 9qHbV
9,M
} ; [KT'aGK$
"8'aZ.P
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: %s^2m"ca}=
]4$t'wI.
template < typename T > ?0{8fGM4
struct ref R43yr+p
{ ^hpdre"
typedef T & reference; aQzu[N
} ; i"#36CVT~
template < typename T > *gJ:irah
struct ref < T &> #-0}r
{ \KGi54&Y
typedef T & reference; sI@y)z
} ; 3Pj 6(cf
zJ*|tw4
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: u Z(vf
nO'lN<L
template < typename T > s Y^#I
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const f:=y)+@1My
{ 6eUM[C.
return l(t) = r(t); (.:!_OB0N
} ZW6ZO[`6
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 M_5$y)M
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 #`1@4,iC
(4hCT*
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 W!R}eLf@
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ,<pk&54.@'
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 UX?EOrfJ
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 'T8(md299
最后的布局是: D9cpw0{nc
Add H\zV/1~Y
/ \ .%.bIT
Divide 5 V*uoGWL]+
/ \ :U,n[.$5'
_1 3 )&Bf%1>
似乎一切都解决了?不。 oi@/H\7j
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 jJ}3WJ
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 rW.o_z03^
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: :{(` ;fJ
+zU[rhMk'
template < typename Right > th$?#4SbR
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (iwZs:k-
Right & rt) const baD`k?](
{ O> 5xFz'm
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); PD-<D~7
}
q&j4PR{
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 <vMdfw"(
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。 6
J&_H(^
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。 D8`dEB2|S
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。 N^ )\+*tf1
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。 d)_fI*:f
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? m0: IFE($
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: QoGvjf3z
oi@hZniP?
template < class Action > !9 B`
class picker : public Action O}Ipg[h
{ xnBU)#<]S
public : dB{VY+!
picker( const Action & act) : Action(act) {} 7S
+YQ$_
// all the operator overloaded tAI<[M@
} ; )L)jvCw,e
W^es"\
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。 5uVSbo.
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: zNZ"PYh<u
j}uVT2ZE%
template < typename Right > *J ]2"~_.
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Ju0W
{ ?)8OC(B8q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); yX-h|Cr"
} NrHh(:
H pZD^h?L
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > MJ=(rp=YU9
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。 _iJ8*v8A
jD`p;#~8
template < typename T > struct picker_maker 9S.J%*F7
{ ;tBc&LJ?
typedef picker < constant_t < T > > result; WOv m%sX
} ; {^Y0kvnd
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 8Pkw'.r
{ $KmhG1*s
typedef picker < T > result; #RJFJb/
} ; sX8?U,u
7U@;X~c
下面总的结构就有了: i9QL}d
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 5Tl3k=o}
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 P?.j
w I
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 3M?vK(zG>P
至此链式操作完美实现。 c]u^0X?&
LD.^.4{c:
[m}58?0~x
七. 问题3 y; .U-}e1
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ,KfBG<3
dbmty|d
template < typename T1, typename T2 > M%\=Fb
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 1 2Lc$\3P
{ @T
}p.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 8hKyp5(%l
} 9XH}/FcP_O
6 4fB$
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: =;) M+"
w2o%{n\L
template < typename T1, typename T2 > <0P7NC:Ci
struct result_2 wDL dmrB
{ xu]>TC1
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; j06Xz\c
} ; B%.XWW$
I^CKq?V?:
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? K+`$*vS~ws
这个差事就留给了holder自己。 XOdkfmc+s'
~> xVhd
=:4vRq
[
template < int Order > ^GyGh{@,f
class holder; $bGe1\
template <> kVH^(Pi
class holder < 1 > KMhEU**
{ YgeU>I|v
public : JfrPK/Vn
template < typename T > zvDg1p
struct result_1 !9n!:"(r
{ OYj4G?c
typedef T & result; |%i|P)]
} ; Ot^<:\<`G
template < typename T1, typename T2 > NV[_XXTv7
struct result_2 l6AG!8H
{ ^2|G0d@.:
typedef T1 & result; 0cpI2
} ; k~YZT 8
template < typename T > k=7+JI"J
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const "1-|ahW
{ h=1cD\^|qw
return (T & )r; NIzxSGk|
} 3RW3<n
template < typename T1, typename T2 > 7[b]%i
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const -UhSy>m
{ AXQG
return (T1 & )r1; %+1;iuDL
} _w'N
} ; b6LwKUl
B!z-O*fLE1
template <> 0Xke26ga
class holder < 2 > -t5DcEAb$
{ jgkJF[t`
public : WX2w7O'R
template < typename T > W,g0n=2V
struct result_1 z .xOT;t
{ Bl
>)G X\l
typedef T & result; _F"o0K!u
} ; :J'ibb1
template < typename T1, typename T2 > >o#^)LN
struct result_2 o|FY-+
{ _i-(`5
typedef T2 & result; 60A
E~
} ; S>'S4MJE`
template < typename T > +dt b~M
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const fFBD5q(n
{ =Y0>b4
return (T & )r; W8/8V,
} )Q!3p={S*
template < typename T1, typename T2 > =N+Ou5D
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const XQH
wu
{ %U4w@jp
return (T2 & )r2; d- wbZ)BR
} N@z+h
} ; T9N&Nh7 3
Ao%;!(\I%
`2j \(N,
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> >。 nCj_4,O
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ~MgU"P>
首先 assignment::operator(int, int)被调用: e/h2E dY
?;//%c8,.
return l(i, j) = r(i, j); TDMyZ!d
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) WC?}a^
8
'A|OVyH
return ( int & )i; H,?)6pZ
return ( int & )j; H"_]Hq
最后执行i = j; q*h1=H52
可见,参数被正确的选择了。 :=0XT`iY
@aA1=9-L
-quWnn/
uAWmg8
gEE6O%]g
八. 中期总结 CUS^j
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: z_jTR[dY
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 kH)JBx.
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 GmA5E
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor mp{r$tc
iTt#%Fs)4M
$p}
/&
WLb*\
u_5O<UP5
xyoh
B#'W
九. 简化 Gob;dku
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。 ~4{E0om@
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 LGOeBEAMV^
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: &SzLEbU!
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 5&uS700
+-*/&|^等 C&\vVNV;9
2. 返回引用。 D-/aS5wM
=,各种复合赋值等 Mohy;#8Wk
3. 返回固定类型。 e'
`xU
各种逻辑/比较操作符(返回bool) d^&F%)AT
4. 原样返回。 $S"QyAH~-a
operator, Vs)%*1><
5. 返回解引用的类型。 f>u{e~Q,
operator*(单目) 7Y8 B \B)w
6. 返回地址。 +dkbt%7M
operator&(单目) )BuS'oB
7. 下表访问返回类型。 n(mS
operator[] 4zF|}aiQ
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Wgh4DhAW
operator<<和operator>> lZ3o3"
<z>K{:+>
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 .?TPoqs7Z
例如针对第一条,我们实现一个policy类: "dKYJ&$
")q{>tV
template < typename Left > ~/@5&