一. 什么是Lambda >@Vr'kg+V
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 j"u)/A8*
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, 6SO7iFS
6%INNIyAWa
}Q^a.`h
*>$)#?t
class filler &p4<@k\L
{ (#iM0{
public : \\Tp40m+
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} *`.{K12T
} ; B]F7t4Y!
"I FGW4FnL
$cU/Im`
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: R,+(JgJ
Byj~\QMD|
rK)
pP,bW~rk
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); HYmUxheN2
Hll}8d6[
Ht^2)~e~:
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 M #&L@fg!
c!^}!32j)
\o)4m[oF
T5_Cu9>ax
二. 战前分析 bu&y w~
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 X2?_lZ[\
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 a`iAA1HJ
1 ZFSz{
"q/M8
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); jUSr t)o03
/* --------------------------------------------- */ >!.9g
vector < int *> vp( 10 ); %\&dFwb
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); wx5*!^&j
/* --------------------------------------------- */ }c5`~ LLK
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); #zs\Z]3#
/* --------------------------------------------- */ l8Qi^<i/
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Y<fXuj|&
/* --------------------------------------------- */ g^UWf <xp
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); S]=Vr%irX
/* --------------------------------------------- */ 3F!+c 8e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ]sAD5<;
bI(98V,t
E}&jtMRUt
}_;!E@
看了之后,我们可以思考一些问题: 3~xOO*`o
1._1, _2是什么? =W*`HV-w
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 D~&e.y/gHN
2._1 = 1是在做什么? &~f_1<
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 bR,Iq}p
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 JhIK$Ti
C
P{h+yCj
4:g:$s|SE[
三. 动工 %]oLEmn}y
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: w/6@R 4)p
hAyPaS #
{U-EBXV
Mu%,@?zM^/
template < typename T > VW`=9T5%@
class assignment *G41%uz
{ ,`@|C
Z-4A
T value; ~U+'3.Wo
public : 0|;=mYa4M
assignment( const T & v) : value(v) {} 8:fiO|~%
template < typename T2 > K.m[S[cy
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } U~t(YT
} ; ]t;5kj/
]bweQw@i
TeqsP1{?
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Q*(o;\s
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Mwc3@
{2@96o2}
_I4sy=tYXK
Dx'e+Bm
class holder dxWw%_Q
{ 'v
X"l
public : JvaaBXkS\
template < typename T > a"aV&t
assignment < T > operator = ( const T & t) const l:f
sZO4
{ ?s33x#
return assignment < T > (t); cyNLeg+O*
} mu sxX58%
} ; Q~_x%KN/`
}L9j`17
lej{VcG
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: 0{F.DDiNT
;xwQzu%M>5
static holder _1; {H2i+"cF
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ( mlc']F
UXHFti/A<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); _yUFe&
而不用手动写一个函数对象。 [=+/
^&HYnwk
g"Bv!9*H
!d(V7`8
四. 问题分析 eVXbYv=gJ@
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 idy:Jei}
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 .SN]hLV5
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 T1=M6iJ
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 X2v'9 x
下面我们可以对这几个问题进行分析。 z?,5v`,t2
gBu4`M
五. 问题1:一致性 lV'83
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| =w-H )
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 aK'r=NU
;zDc0qpw
struct holder hgGcUpJy?
{ mGvP9E"&
// vNGvEJ`qn
template < typename T > ( Iew%U
T & operator ()( const T & r) const 2l?J9c}Wo
{ pdSyx>rJ
return (T & )r; *gVv74;;
} ez{&Y>n
} ; =Frr#t!(w0
y e'5A
这样的话assignment也必须相应改动: g\'sGt3 O
2|BE{91
template < typename Left, typename Right > F1>,^qyG6
class assignment ^ a:F*<D
{ kx[8#+P
Left l; rej[G!
Right r; t
,$)PV
public : #SueT"F
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} WM26-nR
template < typename T2 > 1~Nz6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ~\P.gSiz
} ; 1 <+^$QL
uk,f}Xc
同时,holder的operator=也需要改动: =xoTH3/,>
odDt.gQXU
template < typename T > DxHeZQ"LL
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const :Kiu*&{
{ &kvVMnok
return assignment < holder, T > ( * this , t); h 8s*FI
} 2dfA}i>k
h%%'{^>~
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 >nX'RE|F
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 EcU9Tm`h
<FEO6YP
return l(rhs) = r; 71_N9ub@z
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 q9Q4F
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: RswR DLl
<vs.Ucxx
template < typename Tp > =#fqFL,
class constant_t
kel48B
{ #'qW?8d}
const Tp t; JFfx9%Fq
public : lxZXz JkqZ
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} dIm m},
template < typename T > &!ZpBR(
const Tp & operator ()( const T & r) const b11C3TyQT
{ v;SJgZK
return t; 8J} J;Ga
} 2 E^P=jU`
} ; lgl/|
^ Uw
-IE;5f#e
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 L6T_&AiL$
下面就可以修改holder的operator=了 sZc<h]L(g
Y%3j>_\;
template < typename T > <d4^gAfs*
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const *d(Dk*(
{ ;6?K&}J)-
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); rgr> ;
} x)*[>d2yd
rlD@O~P4
同时也要修改assignment的operator()
Xma0k3;-
;I>`!|mT
template < typename T2 > mYCGGwD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } \ CYu;
现在代码看起来就很一致了。 n):VuOjm
Ap/WgVw;
六. 问题2:链式操作 fOfp.`n
现在让我们来看看如何处理链式操作。 FwyPmtBj
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。 Hogr#Sn2
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。 |c)#zSv
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。 ec|IT0;
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct %Xn)$Ti~<
N}\i!YUD
template < typename T > % uKDcj
struct result_1 =$MV3]
{ }U9e#>ex
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; d<]/,BY'
} ; !T}`h'
7r>^_ aW
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: pxgv(:Tw
;k>{I8L~
template < typename T > 4_$f"6
struct ref AWw:N6\
{ --FvE|I
typedef T & reference; yDPek*#^"q
} ; '?\Hm'8
template < typename T > xed$z
struct ref < T &> @_;6L
{ }+z}vb
typedef T & reference; @uc%]V<:k
} ; m|!sY[!
;kY=}=9
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 7{6wNc
fy-(B;
template < typename T > grZN.zTO
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const yt?#T#
{ ,W.O*vCA
return l(t) = r(t); Mf?4 `LM
} -Jb
I7Le
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。 #p^D([k
\
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ~!@a
W*P/~U=
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 ,\VNs'j
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 3 Tt8#B
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 k7j;'6
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 56fcifXz@
最后的布局是: >d=k-d
Add !+i
/ \ {9(N?\S1`a
Divide 5 co:
W!
/ \ E5B:79BGO
_1 3 W)KV"A3C
似乎一切都解决了?不。
8$1<N
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。 ]1X];x&e
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。 xSw ^v6!2
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: Ax&+UxQ0|
+?%huJYK,
template < typename Right > W)\~T :Kn
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (|W@p\Q
Right & rt) const GZse8ng
{ K1Uur>Pk%
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1g
*4e
} J
9z\ qTI
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 0 ~VniF^
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。 ^*Sb)tu\ W
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。 j#29L"
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。 ^27r-0|l^
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。 ^hU7QxW
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? RK|C* TCnl
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: gVO[R6C5C
F;kNc:X`)
template < class Action > !iMsTH<
class picker : public Action >xT8[
{ leiP/D6s
public : tv5SQ+AI3
picker( const Action & act) : Action(act) {} L.>`;`dmY
// all the operator overloaded G"wy?
} ; 0Y{A
yKi* 8N"e<
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。 ^dQ#\uy
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: $P>ci4]t
60Y&)UR
template < typename Right > gz8<&*2
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ;'*"(F=D6
{ @Kp2l<P
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); OX I.>9
} 4\>Cnc{
O",:0<
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > M*|x,K= U
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 WJ8i,7
'RXhE
template < typename T > struct picker_maker i&RPYbT{
{ K^EW*6vB8O
typedef picker < constant_t < T > > result; =}F &jl
} ; sT| 8a
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > IF<pT)
{ ]JbGP{UiN
typedef picker < T > result; 9%pq+?u9
} ; c5pF?kFaD
&0~E+
9b
下面总的结构就有了: Pr9$(6MX
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。 =
oQ-I
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。 Y`w+?}(M
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 _uID3N%
至此链式操作完美实现。 {U>B\D
qy"#XbBeV
V |)3l7IC<
七. 问题3 (i1]+.
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。 tRFj<yuaq
]:d`=V\&N
template < typename T1, typename T2 > [?^,,.Dd
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const V0XQG}
{ h#a,<B|
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Jc95Ki1X
} ;kDz9Va
@h$cHZ
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: %N04k8z
QOB>TvE
template < typename T1, typename T2 > h@&&.S`B
struct result_2 h${+{1](6
{ 7E6gXf.
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; x=(Q$Hl5
} ; )[i0~o[
W$=Ad *
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? 8HDYA$L
这个差事就留给了holder自己。 (
$A0b
}KcvNK (
1^jGSB.%A
template < int Order > yHsmX2s
class holder; ,3 =|a|p
template <> 9KkxUEkW
class holder < 1 > nkUSd}a`r
{ EBc_RpC/Z
public : YBehyx2eK
template < typename T > *]:gEO
struct result_1 4$ya$Y%s%
{ Js.2R$o =*
typedef T & result; ihS;q6ln
} ; wylbs@
template < typename T1, typename T2 > `fYICp
struct result_2 -{n2^vvF
{ yPs4S?<s
typedef T1 & result; z|E/pm$^
} ; (e.?). e
template < typename T > *mwHuGbZed
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const d e)7_pCF|
{ ;/l$&:
return (T & )r; _~]~ssn,1
} 9%T~^V%T7
template < typename T1, typename T2 > }coSMTMv6
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ra2sYH1wr
{ l+`f\ },
return (T1 & )r1; <pyLWmO
}
~$cz`A
} ; B >2" O
]zK'aod
template <> B)>r~v]
class holder < 2 > : .Y
{ [;~:',vHQf
public : qz[qjGdHg
template < typename T > n@>h"(@i
struct result_1 B8_)I.
{ WZ,}]D
typedef T & result; Vz_ac
vfk^
} ; b|jdYJbol&
template < typename T1, typename T2 > IsP-[0it
struct result_2 jd ]$U_U(
{ >v--R8I *
typedef T2 & result; $v5)d J
} ; #y;TSHx/
template < typename T > nIc:<w]
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const X)6}<A
{ '9d<vWg
return (T & )r; [Ume^
} tjLp;%6e
template < typename T1, typename T2 > \A
"_|Yg
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const " ,k(*
{ YvA@I|..~
return (T2 & )r2; ]:H((rk
} P5;n(E(19
} ; Q5%$P\
o^Z/~N
B"KDr_,,
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> >。 dRC
RB
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: wMc/Og
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 4PdJ
p=13tQS<
return l(i, j) = r(i, j); wwmHr!b:6
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) X~+AaI:~K
xwvg@
return ( int & )i; EY+/
foP
return ( int & )j; < 7
最后执行i = j; {p.D E
可见,参数被正确的选择了。 3QM; K^$
w2 %u;D%
fyHFfPEE
'?$N.lj$d
/w[B,_ZKTk
八. 中期总结 "&9L
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: xbUL./uj
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 5l_ >QB
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 (_2Iu%F
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor +`jI z'+
ahJ-T@
TTGk"2
Q'
AlPk o($E*
y&A0}>a:d
oY
NIJXln
九. 简化 }253Q!f
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。 xvpCOoGsz
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 [- Xz:
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: _Fc :<Ym?
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 =@ SJyW
+-*/&|^等 8)KA {gN}
2. 返回引用。 $RASpM
=,各种复合赋值等 X6h@K</c^:
3. 返回固定类型。 s*XE
各种逻辑/比较操作符(返回bool) UYw_k\
4. 原样返回。 *HC[LM
operator, yW@0Q:
5. 返回解引用的类型。
n7EG%q6m+
operator*(单目) HLL:nczj
6. 返回地址。 .
W7ZpV
operator&(单目) fCMFPhF
7. 下表访问返回类型。 heizO",8.&
operator[] bh
Nqj
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 f52*s#4}
operator<<和operator>> Ng Jp2ut
hwD;1n
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。 6cQ)*,Q
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 'ptD`)^(
T> < Vw
template < typename Left > Q85Y6',
struct value_return [\_#n5
{ 'L k&iph
template < typename T > ( M$2CL
struct result_1 n "J+?~9
{ !EwL"4pPw
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; :Qc[>:N
} ; @3aI7U/I
%B#(d)T*-
template < typename T1, typename T2 > <i1.W!%
struct result_2 <