一. 什么是Lambda V
;T :Q%
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 qkb'@f=
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, d!,t_jM0
U.7fMc#
O `}EiyV
O*EV~{K
class filler aLO^>",
{ PVCoXOqh
public : @R[{
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} P6:C/B
} ; /).{h'^Hq\
R?{+&r.X
CKsVs.:u
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: -pC8 L<
h@:K=ggK
Zj`WRH4
,lyW'<~gA
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); xA] L0h]
]?Ef0?44
&gXh:.
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 8Lo#{`
f[ ^f/jGm
*r7vDc
1\.$=N
二. 战前分析 f-b],YE
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ,?fJ0n:!%
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 u^80NR
tdy2ZPVtTV
^Co-!jM
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Zi!Ta"}8
/* --------------------------------------------- */ ks'>?Dw
vector < int *> vp( 10 ); W'lqNOX[v
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); * QgKo$IF
/* --------------------------------------------- */ P15
H[<:Fz
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); CD|[PkjW
/* --------------------------------------------- */ "LMj,qZ1!
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); %`Re{%1;
/* --------------------------------------------- */ 4fEDg{T
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); }cKB)N
BJb
/* --------------------------------------------- */ pfA6?tP`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); zkQ[<
+X}i%F'
"t@p9>
#/)t]&n
看了之后,我们可以思考一些问题: C8N)!5(A
1._1, _2是什么? 'D\Q$q
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。 )Fw/Cu
2._1 = 1是在做什么? _X6'uJ
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。 x(_[D08/TT
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。 K=g</@L6R
t}EMX9SQ
qe~x?FO_>
三. 动工 je4l3Hl
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: bDI%}k9#
"q@m6fs
c OYDN[k
'M90Yia
template < typename T > sp9gz~Kq
class assignment J=4>zQLW
{ PNU(;&2<
T value; { _rfhz
public : $6hPTc<C
assignment( const T & v) : value(v) {} =YO ]m<
template < typename T2 > 5j%G7.S\
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } jmok]-pC
} ; f8
d
3ZK
AOf4y&B>q
jG5HW*>k0
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 nB[-KS
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ~(5r+Z}*`
*{o7G a
Z:;}
9>""xt
class holder 6_LeP9s )
{ 2Xb,
i
public : 6%D9;-N)
template < typename T > "
qI99e
assignment < T > operator = ( const T & t) const p{FI_6db
{ Bf_$BCyGW
return assignment < T > (t); q}1ZuK`6
} H=r-f@EOrI
} ; t>"%exdoZ
sE1cvAw9l
4ls:BO;k]
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: *6uccx7{
?GhyVXS y.
static holder _1; 8~sP{V%
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 )8Va%{j
9
_d2u#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); }x8!{Y#cF
而不用手动写一个函数对象。 1+o]+Jz|
3>,}N9P-v
!<bwg
!_S>ER
四. 问题分析 V5|ANt
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。 [U\?+@E*
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。 |s| }u`(@9
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 s6H'}[E<
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 =;}W)V|X)S
下面我们可以对这几个问题进行分析。 |(7}0]BP0
xQy,1f3s+
五. 问题1:一致性 tAX*CMW
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?| rS8a/d~;0
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。
&)eg3P)7
(FuIOR
struct holder 4<s.|W`
{ bOY;IB
_
// gk ]QR.
template < typename T > \-<BUG]=
T & operator ()( const T & r) const c:[k+_Zr
{ V+d_1]
l
return (T & )r; U"oNJ8&%|
} |WS)KR !
} ; n*4`Tduu^
"LyD
这样的话assignment也必须相应改动: cby#
i`,FXF)
template < typename Left, typename Right > ;C]Ufk
class assignment h}b:-a
{ xNz(LZ.c
Left l; f60w%
Right r; Iv`IJQH>
public : c]=2>ov)hR
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {}
">A<%5F2
template < typename T2 > yMs!6c*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } S0$^|/Sr
} ; N2r zHK
AerU`^
同时,holder的operator=也需要改动: Ebg8qDE
5/H,UL
template < typename T > ,'#TdLe
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 7y=>Wa ?T[
{ 3"fDFR
return assignment < holder, T > ( * this , t); A_9WSXR
} 8$00\><r
-(VJ,)8t2
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ul{x|R
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 SnCwoxK
:=QX ^*
return l(rhs) = r; qHtQ4_Zn;
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 R!nf^*~
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ~^t@TMk$
HDVimoOq
template < typename Tp > bMH~vR
class constant_t {@Wv@H+4
{ %idBR7?`g
const Tp t; 7Q
3!=b
public : gLiJ&H
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 6W1GvM\e
template < typename T > p6M9uu
const Tp & operator ()( const T & r) const WhPP4 #
{ tRjv-
return t; `y8pwWo-o
} _\!]MV
} ; \j8vf0c5b
t;O)
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。
tm1=
下面就可以修改holder的operator=了 pP<8zTLn
c{#2;k
Q,
template < typename T > V>6klA}o
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const $ {yct
{ =bKDD<(
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); R|;BO:S1
} 1#vy# '
}$6L]
同时也要修改assignment的operator() ;p`1Y<d-O
AGhenDNV
template < typename T2 > *X5)9dq
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Spm 0`
现在代码看起来就很一致了。 6F\ 6,E
V&mkS
六. 问题2:链式操作 ]lWqV
现在让我们来看看如何处理链式操作。 yR[6s#F/h
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。 U?[ (
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。 K7}.# *% ~
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。 k
%I83,+
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 8NN+Z<
]ua3I}_B6v
template < typename T > TykT(=
struct result_1 &AiAd6
{ ]uXJjS f
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; (qn=BPI
} ; ~(kEGEF
osV6=
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: J,W<ha*
+{UY9_~\3
template < typename T > "ubp`7%67
struct ref `[ZswLE
{ L*z=!Dpo
typedef T & reference; 6v%yU3l
} ; ^F^g(|(K
template < typename T > F)3+IuY
struct ref < T &> ly0R'4j \
{ ;hj lRQ\
typedef T & reference; R'BB-
} ; :e<jD_.X
MU<(O}
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 6?Ncgj
&@
0R
x#Fm
template < typename T > ?kjQ_K
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ^WA7X9ed
{ F^,:p.ihm<
return l(t) = r(t); $]7f1U_e
} Mj0,Y#=76
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。 ZmK=8iN9J
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 tE*BZXBlm
wMS%/l0p1
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 ]n^iG7aB?
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: xoZm,Pxd
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 @ @[xTyA
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Nt>^2Mv
最后的布局是: fit{n]g
Add EJ:O 1
/ \ Y6{^cZ!=
Divide 5 3%v)!dTa<^
/ \ *l5?_tF
_1 3 #W\}v(Ke
似乎一切都解决了?不。 ;i@S}LwL
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。 Yf0 KG
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。 }[+uHR6L
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: +n^M+ea;
-wU]L5uP
template < typename Right > ,dC.|P' `
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const x $uhkP
Right & rt) const ~yv7[`+Tgg
{ b]u$!W
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); vh,(]t
} C% -Tw]T$_
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 v l"8Oi*r^
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 GRZz@bAO?$
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。 o78u>O y
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。 sn"((BsO<
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。 Ny^ 1#R
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? !73y(Y%TE
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: c5]Xqq,
~${~To8$CW
template < class Action > 9qx4F<
class picker : public Action MA
.;=T
{ la[pA
public : XgxE M1(
picker( const Action & act) : Action(act) {} 2w|5SK_
// all the operator overloaded n%E,[JT
} ; qu B[S)2}
5 -i,Tx&:
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。 <83Ky;ry
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: ~ l}f@@u
*p/,Z2f
template < typename Right > ^h?fr`
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const @O"7@%nu
{ zgD?e?yPO
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); |E+.y&0;
} ZRMim6a4X
vQ rxx
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > i6Z7O)V
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。 V?XQjH1X
St5;X&Q
template < typename T > struct picker_maker wFMH\a
{ @CNJpQ ujn
typedef picker < constant_t < T > > result; pg{VKrT`
} ; F
~A$7
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > pRQ7rT',v
{ TV{GHB!p"
typedef picker < T > result; BTAbDyH5
} ; k>&cHCS`*
2 "&GH1
下面总的结构就有了: 7@@g|l]
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 gvP-doA7W
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 N~/'EaO
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 =3-=p&*
至此链式操作完美实现。 3IYFvq~
kf@JEcKV
h,/Aq
七. 问题3 )kep:-wm
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ^ZMbJe%L
IfmQPs+f
template < typename T1, typename T2 > =g+}4P
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const LR=Ji7
{ jNj;#C)
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); /LFuf`bXV
} vyZ&%?{*R
dN5{W0_
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: 8N&'n
'TeH(?3G
template < typename T1, typename T2 > n/KO{:
struct result_2 W.3b]zcV
{ x-i1:W9;
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; [8T{=+k
} ; tz;3
]:e_Y,@
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? izP)t
这个差事就留给了holder自己。 ]bds~OY5 U
l"ms:v
B[8bkFS>]
template < int Order > \'~
E%=Q
class holder; q7 PCMe
template <> ^N7H~CT"
class holder < 1 > k;\gYb%L
{ *)K\&h<{
public : 1L,L/sOwB&
template < typename T > pU_3Z3CeE
struct result_1 >YI Vi4''
{ !Cgj
>=
typedef T & result; _?-oPb
} ; (MLcA\LJ
template < typename T1, typename T2 > 5W)ST&YPL*
struct result_2 Kk^*#vR
{ 5G355 ,}E
typedef T1 & result; j(%N.f6
} ; evZcoH3~
template < typename T > 4Y(@
KUb
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const iC3z5_g*@
{ "Not /8J
return (T & )r; T'p L&@,Q
}
m-t:'B
template < typename T1, typename T2 > )Qb,zS6
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const i~h@}0WR"
{ z}E_wg
return (T1 & )r1; 4Ly>x>b<
} vAX ( 3
} ; uZ6krI
C8K2F5c5
template <> _mSefPl
class holder < 2 > 1(DiV#epG
{
GK/Po51
public : @1CXc"IgA
template < typename T > C*mVM!D);!
struct result_1 *}\M!u{J
{ u"h/ERCa
typedef T & result; }JFTe
g
} ; t5{P'v9J
template < typename T1, typename T2 > 6x^$W ]R
struct result_2 =TD`P et
{ Z:9 Q~}x8
typedef T2 & result; {R_>KE1
} ; TAXsL&Tz>
template < typename T > m,)s8_a
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const [v~,|N>w
{ coAXYn
return (T & )r; Y(Oh7VwY*P
} lp}S'^ y
template < typename T1, typename T2 > #,tT`{u1q
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const _v&fIo
{ LO=U?`)q
return (T2 & )r2; \D|IN'!D
} C6)YZC
} ; = Pv_,%
~
*&\5rPb
y?OP- 27y
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> >。
7IxeSxXH
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: "0HUaU,e
首先 assignment::operator(int, int)被调用: JY
~/G)z?+E
return l(i, j) = r(i, j); AERJ]$\
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) aDdxR:
*$=i1w
return ( int & )i; LwB1~fF
return ( int & )j; M
FIb-*wT
最后执行i = j; cK'g2S
可见,参数被正确的选择了。 !Ubm 586!
g, d_
kGD_w
rxyv+@~Nc
(p2`ofj
八. 中期总结 :u4|6?
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: AA5G`LiT
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Um+_S@h
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 DZ|*hQU>K
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor _r-LX"
w*`:v$
z_>~=Mm
|2do8z
mn@1c4y
ZeV@ X
九. 简化 S"!6]!~^
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。 ZN8j})lE
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 # `=Zc7gf
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: `4*I1WZW
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 :UdW4N-
+-*/&|^等 `bQ_eRw}
2. 返回引用。 ?("O.<
=,各种复合赋值等 ^$ Y9.IH"
3. 返回固定类型。 [-\ Y?3
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ]r;rAOWVV
4. 原样返回。 :^y!z1\2(7
operator, lgews"
5. 返回解引用的类型。 WX4sTxJK
operator*(单目) TOHz3=
6. 返回地址。 %DSr@IX
operator&(单目) k>ErDv8
7. 下表访问返回类型。 b/_Zw^DPC
operator[] `Moo WG
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 \9[vi +T
operator<<和operator>> m]?Z_*1
9\ "\7S/Z
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。 btg= # u
例如针对第一条,我们实现一个policy类: b d 1^
}{F)Ren
template < typename Left > Pk;w.)kT
struct value_return QYbB\Y
{ H?"M&mF
template < typename T > Ovt]3`U9J
struct result_1 D|OGlP
{ CmB_g?K
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; O_;BZzT
} ; XH%pV
/[TOy2/;%b
template < typename T1, typename T2 > UIEvwQ
struct result_2 s*GZOz
{ \kQ)fk]^
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ]~;*9`:
} ; LtB5;ByeQ0
} ; ZFLmD|q#{
Iynks,ikA
2BC!,e$Z
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait qlcd[Y*B
~DD
_n
下面我们来剥离functor中的operator() "]"0d[d
首先operator里面的代码全是下面的形式: kZF]BPh.
I7vP*YE 7F
return l(t) op r(t) 5.^pD9 [mT
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ^\v]Ltd
return op l(t) p&Qb&nWk<
return op l(t1, t2) .OJGo<#$f
return l(t) op 0se%|Z|8
return l(t1, t2) op F/2cQ.u2
return l(t)[r(t)] tz]0F5
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] r $S9/
@_`r*Tb)dM
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: "[ LUv5
单目: return f(l(t), r(t)); g/C 7wc
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); |&@q$d
双目: return f(l(t)); \>S.nW
return f(l(t1, t2)); PSc=k0D
下面就是f的实现,以operator/为例 OmuE l>
:Pq&l.
struct meta_divide c^= q(V
{ 8
o}5QOW
template < typename T1, typename T2 > k1D7=&i
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) bZ_&AfcB
{ vGyQ306
return t1 / t2; ])?dqgwa
} 9SeGkwec?$
} ; (`4&