一. 什么是Lambda )h^NR3N
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 <SVmOmJ-K
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, dZGbC 9
CDp8)=WJFF
^t[HoFRa
+dkS/b
class filler k:#6^!b1
{ l
oqvi
public : Gowp
<9 F
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} a-n4:QT
} ; iS@\ =CK
|)W!jC&k
*(cU]NUH_
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: fn9#>~vrD
s%;<O:x8o
:G)<}j"sM
83.E0@$
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); oJ78jGTnb
J<JBdk
)'q%2%Ak
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 KIL18$3J
)qPSD2h
GLKO]y
2r];V'r
二. 战前分析 zL s^,x
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 j.3o W
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ,2 WH/"
m%QqmTH
#1$}S=8*f
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); r9ke,7?
/* --------------------------------------------- */ iilyw_$H
vector < int *> vp( 10 ); ;Mj002.\G
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); yZSvn[f
/* --------------------------------------------- */ oTOfK}
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 6T^lS^
/* --------------------------------------------- */ oVZ4bRl
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ui'F'"tPz
/* --------------------------------------------- */ LD+f'^>>Z
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); gZ(O)uzv
/* --------------------------------------------- */ W81o"TR|pt
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); .R5/8VuHF
NcL
=zo<
015Owi
jeDlH6X'
看了之后,我们可以思考一些问题: yBz>0I3
1._1, _2是什么? $<e +r$1
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 7unA"9=[4V
2._1 = 1是在做什么? \iMyo
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 E!aq?`-'!
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 +Z?[M1g
q|q::q*
[Hcaw
三. 动工 @)sc6
*lnW
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: wsg//Ec]
FU@uH
U5fd
:$"7-a%f
R'EW7}&
template < typename T > U($^E}I2(
class assignment GhnE>d;i
{ $P?{O3:V
T value; J5T=!wF (
public : ]+IVSxa!u
assignment( const T & v) : value(v) {} "2h5m4
template < typename T2 > A9BxwQU#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } b*9e1/]
} ; QAvWJydb
;]h.m)~|
-,>:DUN2
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 3c 28!3p
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment U5rxt^
||a`fH
T|f_~#?eV
P`sN&Y~m
class holder Tcs3>lJ}
{ v_-ls"l
public : >5i ?JUZ
template < typename T > 1PU*:58[
assignment < T > operator = ( const T & t) const C
MqM;1
{ `2x 34
return assignment < T > (t); hZ#\t
} 7l}~4dm2J
} ; n.;3X
uAb 03Q
A;%kl`~iyz
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: ry,}F@P&
sM9-0A
static holder _1; /s-d?
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 luF#OP C
$f(agG]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); G4yUC<TqBP
而不用手动写一个函数对象。 5TET<f6R
s1@@o#r
ew"m!F#
Ao!=um5D J
四. 问题分析 -eYL*Pa
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 nE<J`Wo$f
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。 pU[K%@sC
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 c+;S<g0
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 jmPp-}tS7
下面我们可以对这几个问题进行分析。 4H7Oh*P\j
IuWX*b`v
五. 问题1:一致性 ~mcZUiP9
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?| !>|`ly$6
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 cX"G7Bh
iJ*%dio
struct holder q+J0}y{#8)
{ VLd=" ~
// %jgg59
template < typename T > Z>HNe9pr
T & operator ()( const T & r) const 6+#,=!hF{
{ (6[Wr}SW5
return (T & )r; (\q[gyR
} 67
O<*M
} ; &`sR){R
{9:hg9;E*
这样的话assignment也必须相应改动: W["HDR
jrdtd6b}
template < typename Left, typename Right > -~]^5aa5n
class assignment M[vCpa
{ _pW'n=}R
Left l; [R$liN99z;
Right r; &0h=4i=6r
public : W#Cq6N
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }amE6
template < typename T2 > "
xxXZGUp
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } o7QK8#
} ; tQ6| PV
~s0P FS7
同时,holder的operator=也需要改动: =~;zVP
*U2Ck<"]
template < typename T > 8\u;Wf
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const e7wKjt2fy
{ 6z`8cI+LRw
return assignment < holder, T > ( * this , t); '&{(:,!B
}
z8tt+AU
Z_!9iA:X
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。 @hBx,`H^
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 \ /sF:~=
R3cG<MjmK
return l(rhs) = r; 0Mq6yu^
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。 @>Biyb
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: @]yQJuXA&Z
6vZt43"m?\
template < typename Tp > IBF.&[[S
class constant_t $&NbLjeS
{ [ y$j9
const Tp t; =1_j aDp
public : gFgcxe6
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} H.f9d.<W%
template < typename T > g')?J<z
const Tp & operator ()( const T & r) const 8Y]u:v
{ w`"W3(
return t; :nTkg[49pJ
} )8\Z=uC
} ; Vc{/o=1u
jeyaT^F(
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 wN$uX#W|
下面就可以修改holder的operator=了 KS8\F0q
R2 'C s
template < typename T > g9! dpP
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const %9cqJ]S
{ yFa&GxSq
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ;Ce 2d+K
} _6|
/P7"
s-y'<(ll
同时也要修改assignment的operator() C} |O#"t^\
I(F1S,7
template < typename T2 > ]eORw$f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } s 0 =@ &/
现在代码看起来就很一致了。 Ynv 9v\n|
?m`R%>X"
六. 问题2:链式操作 d8 3+6d
现在让我们来看看如何处理链式操作。 _dz:\v
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。 ok8JnQC
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。 Uia)5z z8
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。 t^dakL
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct &fh.w]\
REeD?u j
template < typename T > ^?JEyY
struct result_1 \=TWYj_Ah
{ )GQD*b
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; us(sZG
} ; u~j'NOv
H7 o$O
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: `=WzG"
^2P;CAjj-
template < typename T > Yf%[6Y{
struct ref 5LnB]dW
{ Qq6%53
typedef T & reference; a2IV!0x
} ; !:`Ra
template < typename T > a'(lVZA;
struct ref < T &> C&qDvvk
{ gqKC 4'G0
typedef T & reference; 7~QwlU3n<F
} ; zcbA)
9;'>\ImI
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: jFK9?cLT
uT@8 _9
template < typename T > xQcMQ{&;
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const !dYX2!lvT
{ C]{V%jU
return l(t) = r(t); E$oA+n~
} R;N>#_9HU
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。 ,(5dQ` hA0
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Bil;@,Z#
M]pel\{M
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 X,Q6
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: `RL(N4H
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 `-E.n'+
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 /61ag9pN
最后的布局是: gPn%`_d5
Add rmAP&Gw I
/ \ 1L(Nfkh
Divide 5 bTI&#Hu
/ \ !~VR|n-
_1 3 mDe+ M{/
似乎一切都解决了?不。 Ynt&cdK9
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。 +$an*k9
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。
~gcst;
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: Qg86XU%l
;Ln7_
template < typename Right > ph5xW<VNP
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const {jCu9 ]c!
Right & rt) const QvT-&|
{
vf/$`IJ
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); s}pGJ&C
} (h8hg+l
o
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 N:sECGS,
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。
G$cq
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 (D+{0 /
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 E2ayK> ,
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 D[FfJcV'$
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? A,A-5l<h]?
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: EIVQu~,H
^me}k{x
template < class Action > OM#OPB
rB
class picker : public Action !ktA"Jx
{ NUO,"Bqq
public : FcbA)7dD
picker( const Action & act) : Action(act) {} 2e D\_IW
// all the operator overloaded U3dR[*
} ; ^FyvaO
'KIi!pA.
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。 .\hib.n3
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: { <ao4w6B
"ZK5P&d
template < typename Right > *<h
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const <8xP-(wk;
{ N!4xP.Ps
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); iTtAj~dfZ
} Aj)<8
}Rf:DmPE
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > QYCNO#*
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。 P*qNRP%
BIB>U W
template < typename T > struct picker_maker [laL6
{ WRU@i;l
typedef picker < constant_t < T > > result; MjF.>4
} ; t&?v9n"X
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > C">=2OO
{ =-B3vd:LF
typedef picker < T > result; :4L5@>b-
} ; ztxQv5=:,
=B 4g EWR
下面总的结构就有了: VAB&&AL
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。 8a If{(/k
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。 0m|
Gp
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 xuH<=-O>ki
至此链式操作完美实现。 e|+;j}^C
K5c7>I%k
5['B-
Iw
七. 问题3 O|g!Y(
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。 <)*g7
Q`wA"mw6k
template < typename T1, typename T2 > G cLp"
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const NB yN}e
{ g)G7
kB/<p
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); SO jDtZ
} ~uD;_Y=u)r
dvdBRrf
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: V{^fH6;[
!NY^(^
template < typename T1, typename T2 > 5Vm}<8{
struct result_2 Pc-8L]2oaF
{ Q24:G
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 5FR#_}k]_F
} ; `?|]: 7'<
'krMVC-
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? {<{G 1y~
这个差事就留给了holder自己。 _"t.1+-K
4R^j"x
5
R*5;J`TW
template < int Order > m
?tnk?oX
class holder; hF PRC0ftE
template <> KUqS(u
class holder < 1 > )p_LkX(
{ Z*Hxrw\!0
public : /gy:#-2Gy
template < typename T > c(=O`%B{
struct result_1 >wm$,%zk
{ HyYQQ
typedef T & result; i3WmD@
} ; jW0z|jr
template < typename T1, typename T2 > =}o>_+"
struct result_2 Ch!Q? 4
{ |+=:x]#vV
typedef T1 & result; 9@EnmtR
} ; :XY3TI
template < typename T > (C_o^_I:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {%k;V ~
{ /!uBk3x:
return (T & )r; s6hWq&C
} e.YchGTQ
template < typename T1, typename T2 > 7T;RXrT
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const *R6eykp
{ X@4d~6k?
return (T1 & )r1; F`}w0=-*(
} Zdg{{|mm
} ; :
MmXH&yR
A;nmua-Fv
template <> =5_F9nk-
class holder < 2 > #i=^WN<V
{ l6U'
public : 8GZjIW*0oq
template < typename T > bh"v{V`=0
struct result_1 D&d:>.~u
{ snNg:rTL
typedef T & result; U)1qsUDF
} ; j1CD;9i)%
template < typename T1, typename T2 > e Em0c]]9
struct result_2 qtQ:7WO
{ JNg5?V;.U
typedef T2 & result; d7zE8)D U7
} ; <%f%e4
[
template < typename T > &Gwh<%=U
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const KgAX0dM
{ 0A4|
return (T & )r; X}FF4jE]D(
} M#2U'jy
template < typename T1, typename T2 > uM<+2S
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const jCv+m7Z
{ VQx-gm8}!
return (T2 & )r2; %4^/.) Q
} >
V}NG
} ; pr89zkYw
"?.Wb L
5|t&qUV
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 m Dq,,
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: p6\9HG
首先 assignment::operator(int, int)被调用: li
XD2N
*,*5sV
return l(i, j) = r(i, j); Y }d>%i+
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ,$[lOFs
:6iq{XV^
return ( int & )i; &4iIzw`
return ( int & )j; /VZU3p<~
最后执行i = j; g<c^\WG
可见,参数被正确的选择了。 2g==98>cg
bxHk0w
2`eu3vA
1vd+p!n
7NqV*
八. 中期总结 tqf-,BLh
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: =#fvdj
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 tR/
JY;jn
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 (_<n0
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor /qze
.}>[Kr
>Cc$ P
z<=t3dj
#Og_q$})f
1S#bV} !
九. 简化 {IwYoR aXa
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。 m&8_i`%<
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 rvO+=Tk
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: $MGd>3%y
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Nh-*Gt?
+-*/&|^等 Vi-@z;k
2. 返回引用。 [0@i,7{ZqE
=,各种复合赋值等 KJSy7F
3. 返回固定类型。 qm_E/B
各种逻辑/比较操作符(返回bool) <O&s 'A[
4. 原样返回。 T^SOq:m&
operator, gE(03SX
5. 返回解引用的类型。 K)Ka"H
operator*(单目) %LmB`DqZ
6. 返回地址。 vM8]fSc
operator&(单目)
/n=/WGl
7. 下表访问返回类型。 }]@
"t)"
operator[] 2O>iAzc
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 zqn*DbT
operator<<和operator>> d|lzkY~
?-i&6 i6Y
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。 pqX=l%{4ES
例如针对第一条,我们实现一个policy类: p]HtJt|]
*i90[3l
template < typename Left > JH9CN
struct value_return )63w&
{ dksnW!
template < typename T > ar%Rr"
struct result_1 $^F2
{ y.OUn'^d4
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; $dVjxo
} ; J)f?x T*
0't)fnI#
template < typename T1, typename T2 > <#i'3TUR
struct result_2 F"I@=R-n
{ Jr
zU-g
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; :-n4!z"k
} ; u/WkqJvw#
} ; S5M t?v|K
7IRn
7="V7
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait #4?3OU#
\WEC1+@
下面我们来剥离functor中的operator() Z_/03K$q
首先operator里面的代码全是下面的形式: &nn":
IFe[3mB5
return l(t) op r(t) 6iOAYA=
return l(t1, t2) op r(t1, t2) n&lLC