一. 什么是Lambda 4`'BaUU(
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 /IQ-|Qkg
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, NcY0pAR*
Q17o5##x7
W;AWO0+
Q!A3hr$IF
class filler tEs[zo+DR-
{ X-) ]lAP
public : kBQenMm
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} c%,6L <[
} ; 3x;y}:wQa
C9;X6
`] dx%
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: {p_vR/yN
#o |&MV_j
#*aGzF
tH|Q4C
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); A ** M"T
f8_UIdM7
FSZoT!
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Rb>RjHo S
nJ0eZBgB]
Y`_X@Q
+AC-f2
二. 战前分析
'jl XLb
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 a>jI_)L
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 k)GuMw
\fFy$
1?#p !;&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); z?> y
/* --------------------------------------------- */ 5Yibv6:3a
vector < int *> vp( 10 ); KJ{F,fr+v
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 4JQ`&:?r
/* --------------------------------------------- */ [q{Txe
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 3 BhA.o
/* --------------------------------------------- */ +mW$D@Pf
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 );
#=~1hk
/* --------------------------------------------- */ N~<}\0
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); la{:RlW
/* --------------------------------------------- */ oZcwbo8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ]?^xc[
6)2M/(
|l \/ {F
lJ1xx }k{U
看了之后,我们可以思考一些问题: m~IWazj;A
1._1, _2是什么? b2-|e_x
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 +6Fdi*:
2._1 = 1是在做什么? &)}:Y!qiu
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 >xMhA`l
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 eeTaF!W
~I^[rP~
X^ ]$/rI)
三. 动工 yl+)I
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: K[yJu 4
@X><lz
34M.xB
7,VWvmWJex
template < typename T > bh6wI%8H
class assignment W%ZU& YBc
{ l*MUDT@M8\
T value; W]MJ!4
public : qvT+d
l3#[
assignment( const T & v) : value(v) {} }Fe{s;
template < typename T2 > 9nAK6$/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } QN8Hz/}\
} ; HD^~4\%
={vtfgxl
&UH z
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ;mKU>F<V
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Im1qWe
>w# 3fTJ
.vF<3p|
]=VI"v<X
class holder 9s6lt#?b
{ [|O6n"'
public : {+mkXp])R
template < typename T > \@"
.
GM%
assignment < T > operator = ( const T & t) const XFAt\g
{ -"fq34v
return assignment < T > (t); CKw)J}z
} o5@P>\u>
} ; lXy@Cf
vszAr(
t
^`5Yxpz
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Nmq5Tv
mzR
@P$:36
static holder _1; d"a7{~l
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 7%}}m&A7h
vXZz=E
AH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Z"KuS
而不用手动写一个函数对象。 MpvA--
!h(0b*FUJ
UimZ/\r
~?+m=\
四. 问题分析 =9MH
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。 m;1e xa
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。 o*BI^4
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 5i&V ~G
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 rmoEc]kt]
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2~'quA
%K,,Sl_
五. 问题1:一致性 v@SrEmg
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?| [cs8/Q8+
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 @(?d0xCg
g o Z#
struct holder `W S
{ L, GtIZkE
//
H;L&G|[
template < typename T > y_r6T
XnGL
T & operator ()( const T & r) const X*):N]
{ }#^F'%zf
return (T & )r; a-5$GvG
} `t2! M\)
} ; 0R%58,R
x" T^>Q
这样的话assignment也必须相应改动: ?OdA`!wE
\Nyxi7
template < typename Left, typename Right > "&|2IA
class assignment ] 6B!eB
!
{ |{"7/~*[
Left l; !A0bbJ
Right r; ~`fB\7M
public : h:90K
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} :AGQkJb
template < typename T2 > Im#$iPIvT
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ir?9{t/()
} ; Ip-jqN J~
i*>yUav"
同时,holder的operator=也需要改动: @h3)!#\N
'm:B(N@+
template < typename T > [AwE
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const !d_A? q'hN
{ c:T P7"vG
return assignment < holder, T > ( * this , t); !IU*Ayg
} dj]N59<
6*Qpq7Ml
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。 xb>+~5 9:
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 r"{1H
5E=Odep`
return l(rhs) = r; @]4 s&;
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。 J n/=v\K@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: nVD
YAg'
rJwJ5U
template < typename Tp > [X]o`
class constant_t t]XJq
{ $Yc9><i
const Tp t; ^f]pK&MAmN
public : 1jVcL)szU
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} u>#'Y+7
template < typename T >
x$I>e
const Tp & operator ()( const T & r) const MG>;|*$%
{ u>Hx#R<*%
return t; X=~QE}x
} #n
r1- sf|
} ; "Xc=<rX
Bw[V K7
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 @RW%EXKt
下面就可以修改holder的operator=了 5 <poN)"
2T5ZbXc+x
template < typename T > {\I\4P
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const [j39A`t7
o
{ KG@hjO
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); L4%LE/t|e
} jRc#>;dN
Yw0@O1Cel
同时也要修改assignment的operator() RqR X
{wySH[V
template < typename T2 > cyyFIJj]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } [E1I?hfJ
现在代码看起来就很一致了。 g=8e.Y*Fr
?Fu.,srt
六. 问题2:链式操作 5N0H^
现在让我们来看看如何处理链式操作。 g>f394j
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 8pk">"#s
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 \&0NH=*^
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 %3wK.tR
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ^gImb`<6-
Dlp::U*N'
template < typename T > M*%Z5,Tc
struct result_1 ;C'*Ui
{ +,,~<Vm
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; !WXSrICX[
} ; /2 (F
C4,W[L]4"
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: PH.v3
3K
Zlhr0itf
template < typename T > f{0PLFj
struct ref [PT}!X7h
{ |>)mYLN!y
typedef T & reference; gC.T5,tn
} ; GU`2I/R
template < typename T > NG ~sE&,7
struct ref < T &> XOMWqQr|
{ lx SGvvP4
typedef T & reference; q=U=Y
n
} ; `fXcW)
'4EJ_Vhztc
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Rd/!CJ@g
lCXo+|$?s
template < typename T > 3c)xNXq m
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 2\n6XAQ*
{ gueCP+a_
return l(t) = r(t); #\qES7We6
} *P>F#
~X
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。 &LE/hA
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 wbTw\b=
7o3f5"z
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 *" wsMO
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: NeH^g0Q2,g
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Jc*A\-qC.
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 LvS`
最后的布局是: zKo,B/Ke4
Add 6Y=)12T
/ \ i{.!1i:
Divide 5 HzV3O-Qz]
/ \ K7|BXGL8r8
_1 3 6;Bqu5_Cj
似乎一切都解决了?不。 gU:jx
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。 }QK-@T@4<
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。 K\#+;\V
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: h1xYQF_`Z
S[Et!gj:
template < typename Right > ^VD14V3
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;-59#S&?tB
Right & rt) const 2]|+.9B
{ sNWj+T
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -O\`G<s%
} PM{kiz^
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ?o2L
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。 C.eZcNJG
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?$f[+
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ?(Nls.c
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 Xh5
z8
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? &W1c#]q@r
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: P69S[aqW
7+fFKZFKF
template < class Action > i9Qx{f88
class picker : public Action W1 E((2
{ AyddkjX
public : :%R3(
&
picker( const Action & act) : Action(act) {} I/ c*
?
// all the operator overloaded yA~W|q(/V
} ; N7XRk=J
Y:O%xtGi
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 DF<_Ns!
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: YkTEAI|i
UhNeY{6
template < typename Right > f -bVcWI
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Xcb\N
{ !I@"+oY<
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); YQ&Xd/z-
} }2}hH0R
"[76>\'H
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > CQS34&G$a
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。 mD tD7FzJ
D+tn<\LF
template < typename T > struct picker_maker 6:Ra3!V"v
{ Ef69]{E
typedef picker < constant_t < T > > result; IL\#!|>
} ; {JMFCc[
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > t ;(kSg.
{ wJip{
typedef picker < T > result; {{j?3O //
} ; .hUndg
2s~X
下面总的结构就有了: -rUn4a
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。 7tJPjp4l
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。 ^J?I-LG
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 !9B)/Xi
至此链式操作完美实现。 `zF=h#i
OPar"z^EV
qm2
七. 问题3 ~b*f2UVs
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。 V1M oW;&
k/Z}nz
template < typename T1, typename T2 > g9g^zd,
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const CtS*"c,j
{ nI&Tr_"tm
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 72.ZE%Ue
} WI' ;e4
w[t!?(![>
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: ):1NeJOFF
K_(o
D
O
template < typename T1, typename T2 > s J,:[
struct result_2 .xS}/^8iD
{ wUab)L
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; J=ZNx;{6
} ; <^{|5u
k1W
q$KCwG
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? QOMh"wC3
这个差事就留给了holder自己。 r!'\$(m E
[;%qxAB/_
1t6VS 3
template < int Order > 5\lOZYHX
class holder; mJp)nF8r~
template <> <GT&q <4w
class holder < 1 > #}3$n/
{ B[}#m'Lv
public : })%WL;~
template < typename T > a!vF;J-Zqa
struct result_1 ^h1EE=E"
{ w|7<y8#qC
typedef T & result; jw]~g+x#$
} ; l*rli[No
template < typename T1, typename T2 > D=i)AZqMPp
struct result_2 y
~7]9?T
{ G$( B26
typedef T1 & result; Ou>L|#=!
} ; 0P_qtS
template < typename T > g4^=Q'j-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 4*&_h g)h
{ '#L.w6<B
return (T & )r; >fNRwmi
} V*U{q%p(
template < typename T1, typename T2 > Ey4%N`H-^
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const
bVaydJ*
{ H:TRJ.!w2
return (T1 & )r1; ju~js
} Sxa+"0d6
} ; \4zb9CxOZ
O0[.*xG
template <> 5srj|'ja
class holder < 2 > #-r,;
{
74i
public : R9%Um6
template < typename T > (pJ-_w'G
struct result_1 )%FRBO]
{ C7:;<<"P
typedef T & result; ?VaWOwWI
} ; lky{<jZ%
template < typename T1, typename T2 > K=nW|^
struct result_2 mWN9/+!
{ _\uyS',
typedef T2 & result; /i.3v45t"
} ; ~;>
psNy
template < typename T > 6HeZ<.d&
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const m_
>+$uL
{ '@t}8J
return (T & )r; K)"lq5nM
} 0<(F
8
template < typename T1, typename T2 >
p}I,!~}
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const d)d\h`=Z
{ {kVhht]X
return (T2 & )r2; M*6}# ST
} ;iEr+
} ; "-bsWC
4AA3D!$
KVQ|l,E,
/
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> >。 XpS].P9
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: !}
~K'1"
首先 assignment::operator(int, int)被调用: [ed6n@/O@
fR]%:'2k
return l(i, j) = r(i, j); (nL''#Ka
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) @'XxMO[Z!<
~
A?
return ( int & )i; :jo
!Yi
return ( int & )j; 9OI&De5?=V
最后执行i = j; b8o}bm{s
可见,参数被正确的选择了。 /1OzX'5f
JzI/kH~
l.gt+e
c0}* $e
=GGt:3Kx-
八. 中期总结 oVDqX=G
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: 57PoJ+
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 iPoh2
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 n^kszIu~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor +eT1/x0
V)Oj6nD]
OZ,%T9vP
{[Sd[P
`GGACH3# s
hqr V {c
九. 简化 t.f#_C\
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。 n\CQ-*;l
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 gpt98:w:
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: s{q)P1x
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 g3*" ^C2=
+-*/&|^等 J^"
2. 返回引用。 ZMFV iE;8
=,各种复合赋值等
D
H}gvV
3. 返回固定类型。 D`|.%
各种逻辑/比较操作符(返回bool) f/!^QL{
4. 原样返回。 &}N=a
operator, @t W;(8-
5. 返回解引用的类型。 UM?{ba9
operator*(单目) CY{`IZ
6. 返回地址。 (+_i^SqK
operator&(单目) ah1DuTT/G
7. 下表访问返回类型。 8+gti*C?\
operator[] ~i3/Ec0\
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ze5Hg'f
operator<<和operator>> ?uiQ'}
e<