一. 什么是Lambda o _DZ
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 a>/jW-?
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, Q.`O;D}x
sXm,y$\m
]Qb85;0)
U0t~H{-H
class filler B;mt11M
{ H:&|q+K=#
public : }!0nb)kL
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} d!]fou
} ; z4[S02s
D_4UM#Tw
p?+*R@O
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: ~i)IY1m"
Lv`NS+fX
wa}\bNKQk
,c\3b)ax
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); >"q~9b
A
C!r9+z)<
v3{[rK}
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 KZ}F1Mr
@fwk
><Z`)}f
$VLCD
二. 战前分析 LVX01ox$
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。 zIjUfgO/M
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 T2V#
fYCc
".R5K ?
a;$'A[hq
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); y $K#M
/* --------------------------------------------- */ BXf.^s{H
vector < int *> vp( 10 ); R^=)Ucj
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Lp?JSMe
/* --------------------------------------------- */ D3+UV+&R/
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 5%E.UjC
/* --------------------------------------------- */ :jp4 !0w
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); d=B
DR^/wA
/* --------------------------------------------- */ 8 O5@FU
3
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); uBe1{Z
/* --------------------------------------------- */ #n_uELE
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ja2PmPv
8v)PDO~D}A
@9!,]n
&E>zvRBQ
看了之后,我们可以思考一些问题: >{dj6Wo
1._1, _2是什么? Q*+_%n1
/
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 Fq<;-
2._1 = 1是在做什么? *&vySyt
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 Ih!D6
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 -
:0{
S}rW=hO
!PfI e94{`
三. 动工 !1H\*VM"
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类:
e8TJ =}\
v&>TU(x\H
AF
qut
XVfp* `
template < typename T > b7:B[7yK.x
class assignment :W/,V^x}
{ F+`DfI]/m
T value; `2Buf8|a,
public : %DQ.f*%
assignment( const T & v) : value(v) {} #]yb;L
template < typename T2 > a%-P^M;a2
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Xj\SJ*
} ; ^%v<I"<Uq5
XMM@EN
BW>f@;egg
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 "Iy @PR?>
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment wNuS'P_(:T
c0Tda
L7jMpz&
NC 0H5
class holder 7^bO`
{ }{^i*T5rl
public : W`C&$v#
template < typename T > 4ifWNL^)
assignment < T > operator = ( const T & t) const >sE5zj|V
{ urHQb5|T}
return assignment < T > (t); \^wI9g~0
} edPnC
{?s
} ; ?Rl?Pp=>
c7jft|4S
0;Y_@UVj
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: V(3udB@K
{Ex0mw)T
static holder _1; +:2(xgOP.V
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 cI3uH1;#
'}c0:,5
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |WeLmy%9
而不用手动写一个函数对象。 R
Nr=M^Zn
^/HE_keY
t-SGG{
:yvUHx
四. 问题分析 5|:=#Ql*
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。 $Q|66/S^
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ]"^GRFK5
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 f #414ja
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 uH]n/Kv1,
下面我们可以对这几个问题进行分析。 +MOUO$;fGt
io:?JnQSA
五. 问题1:一致性 u~?]/-.TY
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?| 9VIsLk54^
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ~s{$&N
$cH'9W}3K
struct holder 9Dd/g7
{ #hzs,tvvD
// `c{i+
template < typename T > 2o/}GIKj
T & operator ()( const T & r) const lN 1 T\
{ G:'-|h
return (T & )r; k+-u4W
} vVKiE 6^
} ; dvsOJj/b
+(r8SnRX
这样的话assignment也必须相应改动: dW!T.S
eUqsvF}l!
template < typename Left, typename Right > VX&KGG.6
class assignment sJ?Fque
{ fCZbIt)Eh
Left l; (a`z:dz}
Right r; n?aogdK$V
public : 2hf]XV\
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Yk<?HNf
template < typename T2 > [F+lVb
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } o?^j1\^
} ; ^']xkS
sKjg)3Sl
同时,holder的operator=也需要改动: 3,tKqR7g
|)pT"`
template < typename T > N+!{Bt*
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const >F,~ QHcz
{ 5Z6$90!k
return assignment < holder, T > ( * this , t); }RDhI1x[mk
} 3j<]
W
Y4!v1
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。 lh~!cOm\=E
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 $}W=O:L+D
vYmRW-1Zxq
return l(rhs) = r; ] 2FS=
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 im%'S6_X4
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: K!HSQ,AC
z9&$Xao
template < typename Tp > Gnj|y?'
class constant_t j3IxcG}f
{ *"O7ml]
const Tp t; uQ9P6w=Nt
public : 6BLw 4m=h
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} lkFv5^%
template < typename T > OPBnU@=R
const Tp & operator ()( const T & r) const Po(9BRd7
{ ~naL1o_FZ
return t; E7oL{gU
} >=6tfLQ
} ; #s)6u?N
!95ZK.UT
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 E]6;nY?
下面就可以修改holder的operator=了 vkASp&a
aJOhji<b#L
template < typename T > &JtK<g
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const P8).Qn
{ C:0Ra^i ?L
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); +Q}Y ?([
} HPg@yx"U
B;2os ^*
同时也要修改assignment的operator() ;
R&wr_%
iZwt,)(
template < typename T2 > |.)oV;9
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } #fRhG^QKp
现在代码看起来就很一致了。 j0Kj>
}R;.~F
六. 问题2:链式操作 y5RcJM
现在让我们来看看如何处理链式操作。 MU<Y,4/k
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。 SLD%8:Zn
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。 /3L1Un*
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。 # ~}
26
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct o;D87E6Z
4T{+R{_Y1
template < typename T > >hJ$~4?
struct result_1 =^|^"b
{ vjhd|
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; c'vxT<8fWW
} ; *rXESw]BR
+5JCbT@y
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: o6'I%Gs
mawomna
template < typename T > I_6?Q^_uZ
struct ref F@& R"-
{ X2}\i5{
typedef T & reference; <IC=x(T
} ; `{gkL-
template < typename T > 1y2D]h /'
struct ref < T &> lF2im5nZ?
{ C},;M@xV
typedef T & reference; 'nz;|6uC
} ; m.iCGX
hq6B
pE
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: r`qMif'
.0:BgM
template < typename T > h3Nwxj~E
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const J}c57$Z
{ 1XSA3;ZEc
return l(t) = r(t); XZ EawJ0
} 3l_Ko%qS
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。 ?l!L
)!2
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 y>Zvos e
s:'M[xI
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=c7>s0>
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: m4bfW
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 F[<EXLQ
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 }fpK{db
最后的布局是: x#-uf
Add kTb.I;S
/ \ )G\23P
Divide 5 |s-q+q{|
/ \ WPygmti}Be
_1 3 A{iI,IFe
似乎一切都解决了?不。 hb9e6Cc
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。 !
E`Tt[
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。 "u~l+aW0
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: Z4A
a
$#2ik~]>
template < typename Right > MlgE-Lm
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const IT!
a)d
Right & rt) const 8Y *SZTzV
{ ] e!CH
<N
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); !sQ$a#Ea
} EAn}8#r'(8
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 },KY9w
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。 i>HipD,TD
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。 pJrc\`D
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。 _QbLg"O
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。 u*B.<GmN
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?
@[u!
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: +Mc kR
*Dtwr
template < class Action > @qmONQ eb
class picker : public Action %VOn;_Q*B
{ Y:[WwX|
public : -CfGWO#Gbx
picker( const Action & act) : Action(act) {} agQzA/Xt
// all the operator overloaded xoF]r$sC8
} ; AVVL]9b_2
4r;!b;3
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 Rn~FCj,-
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: @P#uH5U
^29w@*
template < typename Right > Zq=t&$*
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const LI_>fuv"8
{ #c@Dn.W
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8:;_MBt
} }$!bD
jXvGL
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > K&0op 4&
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 :LBG6J
jLX{$,
template < typename T > struct picker_maker })!d4EcZf
{ Z.Lm[$/edn
typedef picker < constant_t < T > > result; fN~kdm.
} ; s:lar4>kM
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > wNL!T6"G
{ QLH&WF
typedef picker < T > result; ((^jyQ
} ; O=LS~&=,
Os^ sOOSY
下面总的结构就有了: U^vQr%ha
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ;ZXP*M9
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 Epj
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 "<ow;ciJF
至此链式操作完美实现。 J~KWn.
2K<rK(
PxzeN6f
七. 问题3 D5fJuT-bp
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 kK&tB
Be}e%Rk
template < typename T1, typename T2 > E]w1!Ah M
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const g]85[xz
{ H+vONg
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); &B^#?vmO
} E@TX>M-&
(A O]f fBU
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: T:o!H
Xdj^
21D4O,yCe
template < typename T1, typename T2 > j)ZvlRi,
struct result_2 5,`U3na,
{ :J]S+tQ)
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; J9S9rir&
} ; d=V4,:=S
jm&?;~>O
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? :0IxnK(r&
这个差事就留给了holder自己。 6}
"?eW
q9o =,[
[:sP Z{
template < int Order > +*'
class holder; pq_DYG]
template <> 1)(p=<$
class holder < 1 > j[NA3Vj1P
{ 2uFaAAT
public : kwNXKn/
template < typename T > xb\(>7M6Y
struct result_1 !iUdej^tx
{ c\FyX\i
typedef T & result; 6-va;G9Fc
} ; nR4L4tdS
template < typename T1, typename T2 > 3S1V^C-eBx
struct result_2 S_LY>k?
{ AE!WYE
typedef T1 & result; ;5^grr@,4
} ; '&Ox,i]t
template < typename T > UXD?gK1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const NHA
2 i
{ qY\zZ
return (T & )r; jENarB^As
} g!~&PT)*
template < typename T1, typename T2 > h95C4jBE
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const B[ae<V0k
{ ka{9{/dz3
return (T1 & )r1; X5 lB],t"=
} N%;Q[*d@/
} ; * 2[&26D
C&D]!ZvF
template <> @iB**zR/
class holder < 2 > qyl~*r*
{ /k<*!H]KSg
public : //@_`.
template < typename T > S#0y\
struct result_1 nQK@Uy5Yr
{ d hiLv_/
typedef T & result; 2#_9x7g+
} ; J9ovy>G
template < typename T1, typename T2 > U@yrqT@;AU
struct result_2 i_g="^
{ QNFA#`H
typedef T2 & result; QI~s~j
} ;
j^KM
template < typename T > JiZ9ly(G
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const @A!Ef=R
{ ;w4rwL
return (T & )r; 1mOZ\L!m*
} 5{#9b^
template < typename T1, typename T2 > 3Zsqx=w
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /r@P\_
{
&N0W!
return (T2 & )r2; meR%);\
} <<(~'$~,L
} ; Bp^>R`,
`@ qSDW!b
;5my(J*b
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 6BW-AZc
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: W~W^$A
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 0VoC|,$U
<S
$Z
return l(i, j) = r(i, j); \#tr4g~u
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) AEPgQ9#E
BxZ}YS:
return ( int & )i; wVE"nN#
return ( int & )j; ^!{oyw
最后执行i = j; 3I:DL#f
可见,参数被正确的选择了。 Q
C~~
G D[~4G
'ZT!a]4
]*i>KR@G
NXeo&+F
八. 中期总结 HxZ4t
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: >ID 3oi
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 5*g@;aR1
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 68I4 MZK>4
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor DX$`\PA
MLBZmM '
q6j]j~JxB
7MGc+M(p
m
7 Fz&bN
GmAE!+"
九. 简化 s
]QzNc
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。 y9s5{\H
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 NLz$jk%=g
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: Pv1psKu
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 JAB]kNvI
+-*/&|^等 [&{"1Z
2. 返回引用。 r4D66tF
=,各种复合赋值等 Jr''S}@|x
3. 返回固定类型。 cK-!Evv
各种逻辑/比较操作符(返回bool) U4N
S.`V
4. 原样返回。 Ab_aB+g ]
operator, ;quGy3
5. 返回解引用的类型。 l}O`cC
operator*(单目) /$9/,5|EA
6. 返回地址。 k*!J,/=k
operator&(单目) |LNXu
7. 下表访问返回类型。 '6 /uc:zv
operator[] G&uj}rj
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 efbt\j6@%2
operator<<和operator>> uO^{+=;A=
x_@ev-
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。 } KMdfA
例如针对第一条,我们实现一个policy类: U-lN_?
Q'|cOQX
template < typename Left > 6=')*_~/
struct value_return Y7{|EI+@
{ {M%"z,GL7J
template < typename T >
(K?[gI
struct result_1 3Q;^X(Ml*
{ N%?o-IY
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; b _u&%
} ; olYSr .Q`
7=<PVJ*/
template < typename T1, typename T2 > K^w9@&