一. 什么是Lambda ``kiAKMy
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Eo
5p-
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, _)
k=F=
3 GmU$w
[g`9C!P-G
s%z\szd*
class filler A&*lb7X
{ )XV|D
public : ,X25 -OFZ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ,V'+16xW
} ; izy7.(.a
Tqz{{]%j~$
:#s6,
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: ^2%_AP0=
Cx2s5vJX4p
,*$L_itL
?$i`K|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); f4YcZyBGv
^BIB'/Kh)
[y-0w.V=oE
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 JwG$lGNJ
S&_Z,mT./
`T7gfb%1-3
4Xi
_[
Xf
二. 战前分析 S+Z_Qf
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 GEj/Z};;[b
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 \ofWD{*j
1;?n]L`T
JX8Hn |
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Zz}Wg@&
/* --------------------------------------------- */ >Eg/ir0
vector < int *> vp( 10 ); t0h@i`
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); nI7G"f[%r;
/* --------------------------------------------- */ Sm-gi|A
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); gw' uY$
/* --------------------------------------------- */ DjY&)oce(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); z(b0U6)qQ
/* --------------------------------------------- */ j3 ,6UjlU
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); rDFDrviW_
/* --------------------------------------------- */ Y5?*=eM
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); s\2t|d
VM=A#}
uJ<nW%}
lVF}G[B
看了之后,我们可以思考一些问题: "#1KO1@G
1._1, _2是什么? V'?bZcRr~
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。 *`$Y!uzG:\
2._1 = 1是在做什么? ]S;^QZ
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 H8.Aq\2S
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 J&Ig%&/
g$bbm}6S
le60b@2G0
三. 动工 S.&=>
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: =j#1HI=Fe
[&12`!;j
l2H-E&'=
JrlDTNJj'
template < typename T > 4M4Y2fBH
class assignment DP{kin"4I
{ K8`Jl=}z%&
T value; [ u7p:?WDW
public : F/,K8<|r>
assignment( const T & v) : value(v) {} 4)MKYhm
template < typename T2 > =)_9GO
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } A+Uil\%
} ; *nJy
mp]}-bR)
GF4k
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 s
zBlyT
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment S}L$-7Ct
r:pS[f|4\
Mbbgsy3W
`! ~~Wf'
class holder v:/+OzY
{ JxI\ss?O
public : ^6R
Sbi\
template < typename T > 1eQfc{[g
assignment < T > operator = ( const T & t) const UQ]WBS\
{ 6zv-nMZc
return assignment < T > (t); 6&,n\EXF
} me-Tv7WL
} ; .Uk ejx
A"|y<
l
Ozi|
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: zgre&BV0q
obA}SF
static holder _1; Cka&b
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 .*N]SbU<8
t!}QG"ma
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); #?=?<"*j
而不用手动写一个函数对象。 yTt,/+I%gJ
\l)Jb*t
EFpV
$ZnLY uGb
四. 问题分析 Pn?Ujjv
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 *B<Ig^c
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 7oUecyoj
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 kpF")0qr
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 %DyukUJ
下面我们可以对这几个问题进行分析。 >fZ N?>`
`N;}Gf-'
五. 问题1:一致性 YY{0WWua
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ^eF%4DUC;
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ]rwHr;.
`Wc"Ix0
struct holder ZiR },F/
{ z=\y)'b
// n*(9:y=l1
template < typename T > U(xN}Y?
T & operator ()( const T & r) const RLy2d'DS
{ 0}LBnV
return (T & )r; ~!V5Ug_2
} =f48[=
} ; 9E`WZo^.
LWH(bs9U
这样的话assignment也必须相应改动: Kjw==5)}
Myj5qh
template < typename Left, typename Right > 5(9SIj^O
class assignment 8{0=tOXx{
{ FYwMmb
~3
Left l; Tt;h?
Right r; l]g
/rs
public : \\ZR~f!<
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Rgstk/1
template < typename T2 > TRLz>m Q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } -4 *94<
} ; :? uUh
dUt$kB
同时,holder的operator=也需要改动: rC !!X
@=i-*U
template < typename T > N@qP}/}8
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const <@F.qMl
{ bQ%6z}r
return assignment < holder, T > ( * this , t); ig-V^P
} `(- nSQ
Np2I*l6W
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。 ,Yp+&&p.
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 8m prK`p
&*Sgyk
o`
return l(rhs) = r; c+BD37S
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。 EO.Se9ux
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: f`;y
"ba
i}tBB~]
template < typename Tp > TTYM!+T
class constant_t Xmmb^2I
{ ,(&p"O":
const Tp t; >Bw<THx
public : x]6-r`O7r
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} |\}&mBR
template < typename T > w"PnN
const Tp & operator ()( const T & r) const f6of8BOg
{ b(E}W2-t
return t; W?>C$_p C
} [TW?sW^0
} ; GgU8f0I
KF .O>c87&
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 c*m7'\
下面就可以修改holder的operator=了 mp'Z.4
Yg<L pjq5X
template < typename T > Ri
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const #oYPe:8|m
{ 6D\$K
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); B5A/Iv)2
} w$)NW57[|
C{*' p+f
同时也要修改assignment的operator() {+3
`{34e
h]+UK14m
template < typename T2 > *jf%Wj)0M
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 21T#NYfew
现在代码看起来就很一致了。 *+i1m`6Q
Y:?cWO
六. 问题2:链式操作 }O+a
现在让我们来看看如何处理链式操作。 )X2/_3
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。 jW8,}Xs
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。 ShIJ6LZ
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。 ?5IF;vk
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct !=3Ce3-
w *pTK +
template < typename T > sBq-"YcjR
struct result_1 '5)PYjMnH
{ m{w'&\T
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; BNw};.lO
} ; f0|wN\
?~:4O}5Ax
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: uGc0Lv4i/
1PN!1= F}
template < typename T > 3|0wD:Dy
struct ref ?Tlt(%f
{ tH)fu%:p
typedef T & reference; <G_71J`MLC
} ; U [R[VY7
template < typename T > @ *<`*W
struct ref < T &> '8"nXuL-
{ <-h[I&."
typedef T & reference; Z}AhDIw!G
} ; &v/>P1Z
G
?8/T#ox
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: iAr]Ed"9|
yno X=#`
template < typename T > 5-RA<d#
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const %HD0N&
{ Y-s6Z\
return l(t) = r(t); Yh["IhjR
} E)iX`Xq|0{
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。 g7;OZ#\
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 XOoz.GSQ
\v_R]0m\
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 Ve ipM
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: RxA:>yOPn
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 v&)G~cz
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0t?g!
最后的布局是: @s|G18@
Add Y '+mC
/ \ GboZ T68
Divide 5 [y&uc
/ \
<dKHZ4
_1 3 7NMy1'-q
似乎一切都解决了?不。 }3/|;0j$
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。 6n:oEXM>
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。 +7mUX
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: ELZ@0,
@x@wo9<Fc
template < typename Right > $YiG0GK<"
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const tPb<*{eG
Right & rt) const ) E*-
{ 2@Zw#2|]
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); aQj"FUL
} "uP~hFA7M
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 _/NPXDL
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。 ?BRZ){)
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。 2t;3_C
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。 E^B3MyS^^
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。 e8 c.&j3m
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? %F87"v~
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: T}jW,Ost
MP
p
template < class Action > |)OC1=As
class picker : public Action #!C|~=
{ 5^Ny6t
public : OyQ[}w3o|
picker( const Action & act) : Action(act) {} s{:Thgv,9
// all the operator overloaded |*g\-2j{
} ; u`"Y!*[ -
~g}blv0q+B
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。 lXRB"z
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: MM*9Q`cB
E
<N%
template < typename Right > ]Na; b
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const EY@KWs3"H
{ ^ f[^.k$3d
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); y/>Nx7C0=2
} BKK@_B"
mGoNT
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > I9h{fB
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 qOAhBZ~
#V.u[:mO
template < typename T > struct picker_maker XEUS)X)
{ qga\icQr
typedef picker < constant_t < T > > result; rAk;8)O$
} ; Rl'xEtaN
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > xLP8*lvy
{ W~5gTiBZ]
typedef picker < T > result; & j*Ylj}
} ; s
>k4G
%reW/;)l{
下面总的结构就有了: zVis"g`
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。 P]7s1kgaS
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。 ^97[(89G9
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Ky*xAx:
至此链式操作完美实现。 [$M l;K
Yc5<Y-W
Pk5 %lu
七. 问题3 ;x&3tN/I
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ~ujg250.L
212 =+k
template < typename T1, typename T2 > X7SSTcA
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 88}0 4
{ 2<*Yq8
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); mhF@S@
} _)~|Z~
xR;z!Tg)
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: )>]SJQ!k
@h5 Q?I
template < typename T1, typename T2 > m|[cEZxHB
struct result_2 }mS
Q!"f:
{ ltHuN;C\
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; n.A*(@noe
} ; xOZvQ\%
7o-}86x#
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? bBQHxH}vi
这个差事就留给了holder自己。 9lX[rBZ
<#~n+,
R%JEx3)0m
template < int Order > USXPa[
class holder; BT(G9Pj;
template <> hP/uS%X
class holder < 1 > <JZa
{ yCv"(fNQ
public : FWo`oJeN
template < typename T > &A^2hPe}
struct result_1 7>gW2m
{ Si|8xq$E;
typedef T & result; 7A
} ; AI .2os*
template < typename T1, typename T2 > >Lz2zlZI
struct result_2 pe+m%;nzR
{ |\]pTA$2
typedef T1 & result; /sl#M
} ; TSsx^h8/
template < typename T > "?YpF2pD
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 'IER9%V$
{ wDs#1`uTq
return (T & )r; ~'):1}KN]
} 'v@1_HHW\
template < typename T1, typename T2 > ;e~K<vMm;y
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const o#IWH;ck.
{ vw` '9~
return (T1 & )r1; 3iiOxg?j
} * =O@D2g0
} ; gKb5W094@
*oIKddZh
template <> s'@@q
class holder < 2 > dRTpGz
{ b;I!CyD
public : Bc#6mO-
template < typename T > +Jc-9Ko\c;
struct result_1 '`p0T%w
{ vaZ?>94
typedef T & result; BimM)4g
} ; y)Lyo'`
template < typename T1, typename T2 > ,]?l(H $x'
struct result_2 ? oGmGKq
{ EtB56FU\
typedef T2 & result; y] ~X{v
} ; 8\Eq(o}7
template < typename T > 7M9s}b%?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 3*b!]^d:D
{ &S#bLE
return (T & )r; ~K|o@LK
} %P]-wBJw
template < typename T1, typename T2 > +z\O"zlj
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const .]Z,O>N
{ $E@ke:
return (T2 & )r2; o6
[i0S
} ;Y16I#?;Kh
} ; t,;b*ZR
2qkC{klC^M
dnTXx*I:
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> >。 ?rV c}
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 7h/{F({r=
首先 assignment::operator(int, int)被调用: o=(>#iVM
[ \Aor[(
return l(i, j) = r(i, j); 0 .p $q
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ; d
>
kC[nY
return ( int & )i; jfrUOl'l
return ( int & )j; KBGJB`D*
最后执行i = j; O~&l.>??
可见,参数被正确的选择了。 k)USLA
r,dxW5v.
^A$~8?f
^SRa!8z$W
z'X_s.9F
八. 中期总结 :ui1]its4
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: x]U (EX`t$
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 kLqFh<
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Ljxn}):[
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 'lNl><e-
7f
td2lv
X]*W +
B[MZPv)
9uREbip
u]cnbm
九. 简化 Cj):g,[a
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。 I@q>ES!1H
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 `0Q:d'
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: 7+u%]D!
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 OiY2l;68
+-*/&|^等 0?t!tugG
2. 返回引用。 _>:g&pS/
=,各种复合赋值等 P-`^I`r
3. 返回固定类型。 osX23T~-
各种逻辑/比较操作符(返回bool) YKvFZH)
4. 原样返回。 I_ .;nU1xA
operator, "WYcw\@U
5. 返回解引用的类型。 5tl}rmI`
operator*(单目) Fk(0q/b
6. 返回地址。 z_l3=7R
operator&(单目) [l5"'{x
7. 下表访问返回类型。 ?\F ,}e
operator[] l7J_s?!j
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 pN]Hp"v
operator<<和operator>> )x|BY>
|:r/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。 |I+E`,n"b
例如针对第一条,我们实现一个policy类: y!!+IeReS
Q84KU8?d
template < typename Left > W{m0z+N[B
struct value_return N<> dg
{ PewPl0
template < typename T > X7c*T /
struct result_1 Yhw* `"X
{ khv! \^&DD
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; X-{:.9
} ; D#t5*bwK
|f?C*t',
template < typename T1, typename T2 > Em"X5>;4
struct result_2 Eq<#pX6
{ f|^f^Hu:{
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; b);}x1L.T
} ; Gj_b GqF8}
} ; D[#\Y+N
MM8)yCI
l*:p==
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait S8)awTA9
B-gr2-
下面我们来剥离functor中的operator() 3MzY]J
y(
首先operator里面的代码全是下面的形式: M7>\Qk
iRVLo~
return l(t) op r(t) !yI)3;$*
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 7:j #1N[p
return op l(t) z"O-d<U5
return op l(t1, t2) M{4_BQ4$
return l(t) op G<dXJ ]\\
return l(t1, t2) op v/haUPWF\
return l(t)[r(t)] |B`tRq
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] Go67VqJr
SA7,]&Zb