一. 什么是Lambda }0C v J4
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 =3Ohy,5L
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, -uNM_|MO
j a4zLf(<
Y6`^E
"?G?G'yK>
class filler 2xBYJoF(
{ U;=1v:~d
public : ^&lkh@Y1q
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} p4@0[z'
} ; g_JSgH!4
'si{6t|
,B:r^(}0j
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: 2BO&OX|X
xC9?Wt'
Nwg?(h#
fCbd]X
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); -Rwx`=6tV
Ae;mU[MK/
#]h&GX
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 iHT=ROL
-br): }f
C{>dE:*K^
LvCX(yjZ*
二. 战前分析 v"l8[::
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。 &
h\!#X0
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 IQWoK"B
K8W99:v
H@te!EE
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); i!*8@:VI
/* --------------------------------------------- */ b"nD5r
vector < int *> vp( 10 ); [ut[W9
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); txiX1o!/L
/* --------------------------------------------- */ Cw l:
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); &Z(6i}f,Gp
/* --------------------------------------------- */ t[/APm-k~>
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); :eH\9$F`x;
/* --------------------------------------------- */ YH&q5W,KX
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); -6xh
/* --------------------------------------------- */
8 q>
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); m7u" awM^
yUN>mD-
Y[s}?Xu]w#
s`|KT&r
看了之后,我们可以思考一些问题: G1Vn[[%k
1._1, _2是什么? ? ph>:M
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 MvTp%d.
2._1 = 1是在做什么? )|GYxG;8C
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ~|S}$|Mi50
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。 m:c0S8#:
qJJ},4}
'A9Z ((
三. 动工 >IipWTVo<
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: lHFk~Qp[
T@Z-;^aV
RWFvf
PU4-}!K
template < typename T > LKA/s ~G
class assignment Q)=2%X
{ x2f=o|]D'
T value; ,'n`]@0?\
public : >2ha6A[
assignment( const T & v) : value(v) {} FQ0PXYh
template < typename T2 > MS]Q\g}U
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } dsg-;*%
} ; /CUBs!
Bh&dV%'
tNQACM8F;
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 R7A:K]iJ5
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 5n[''#D
Ed+jSO0
lx7]rkWo|a
e|q~t
{=9S
class holder B}J0d
{ V{fG~19
public : j@{ B 8
template < typename T > I]%Kd('
assignment < T > operator = ( const T & t) const 0es\
j6c
{ j9X|c7|
return assignment < T > (t); vnS8N
} tns4 e\
} ; f@k.4aS
$&&+2?cx0
ZSr!L@S
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: ?g:sAR'
W\<HUd
static holder _1; cdN =HM~I
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 -e>Z!0
@)wsHW%cjz
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |D_4 iFC
而不用手动写一个函数对象。 .#Z"Sj
{gxP_>
#N;&^El
/t*Q"0X5
四. 问题分析 ZZ
T
9t#~
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 @1 i<=r
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Ro;I%j
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 r`pf%9k
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 _h 6c[*
下面我们可以对这几个问题进行分析。 .@ZrmO
o]]
5vLA)Al3
五. 问题1:一致性 HA[7)T N1E
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| < FY%QB)h
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 [,{Nu EI
";/ogFi
struct holder *U$%mZS]1
{ fe8hgTP|
// T=RabKVYP
template < typename T > qFl|q0\ A
T & operator ()( const T & r) const M%g2UP
{ E^0a; |B[
return (T & )r; =\mJ5v"hA
} TM|PwY
} ; YI`BA`BQ8
BO8?{~i
这样的话assignment也必须相应改动: Dy:r)\KX
h6}rOchj
template < typename Left, typename Right > ]]e>Jym
class assignment h
lSav?V_
{ @(0O9L
F
Left l; 4dm0:,
G
Right r; 3d,:,f|h
public : #hk5z;J5
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Q3Y(K\
template < typename T2 > FlUO3rc|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } m/;fY>}3
} ; +(W7hK4ip
K=r~+4F
同时,holder的operator=也需要改动: 9m\Yi
uKj(=Rqq
template < typename T >
d ^zuo
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const m77!i>V)
{ G:@1.H`
return assignment < holder, T > ( * this , t); m# -&<=
} `sgW0Uf
nwzyL`kF
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。 |>1#)cONW
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 Cs\jPh;"
dpX Fx"4A
return l(rhs) = r; H}q$6WE
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 )3<>H!yG}
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: !Rgj'{
mD|Q+~=|e
template < typename Tp > nyxoa/
class constant_t D6"d\Fm<
{ ;]bW
const Tp t; L}'^FqO[IW
public : }8s&~fH
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _g-0"a{-
template < typename T > ]h=5d09z
const Tp & operator ()( const T & r) const @=
=)
{ n&DBMU
return t; sZ7~AJ
} j)#yyK{k2s
} ; )eqF21\
6urU[t1
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 6'.)z,ts
下面就可以修改holder的operator=了 ((<\VQ,>(
J1Az+m
template < typename T > EEo I|
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const _%23L|
{ Mz86bb^J
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); VvT7v]
} F,Ve, 7kh
_Vf>>tuW
同时也要修改assignment的operator() #?,"/Btq
8EX?/33$
template < typename T2 > 3g5r}Ug
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 0Wc_m;
现在代码看起来就很一致了。 2m} bddS
e,Y<$kPV
六. 问题2:链式操作 .}uri1k"@k
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Y9&na&vY?
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 x34GRe!!
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 B|8|f(tsSa
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 / {[p?7x>
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct q~Al[`K
FMhuCl2
template < typename T > )4.-6F7U?
struct result_1 ^FVmP d*1
{ N2Ysi$
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; MJCz %zK
} ; ZLdIEBi=
uu"hu||0_
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: k@h0 }%
P=L@!F+s
template < typename T >
]!N=Z
}LD
struct ref SqdI($F\:
{ r .
(}
typedef T & reference; 7$t['2j3
} ; wA)nryXV
template < typename T > OVc)PMp
struct ref < T &> JfK4|{@
{ %o{IQ4Lz#
typedef T & reference; TCIbPsE
} ; Pl-9FLJ
"WO0rh`
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ? STO#<a
lV$#>2Hh5
template < typename T > ckv8QAm
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const [tElt4uG
{ ^]~!:Ej0
return l(t) = r(t); B#35)QI
} $$< I}eMd>
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。 ):}A Quy]
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 !_;J@B
DL,]iJm
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 TIR Is1
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: (<-m|H};
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ll- KK`Ka
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0
0|!g"E>$
最后的布局是: B7YE+
Add &
9
c^9<F
/ \ jW-;Y/S
Divide 5 412E7
/ \ hE$3l+
_1 3 |JP'j1 Ka
似乎一切都解决了?不。 e@ $|xa")
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。 oA7| s1
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。 &A`,hF8
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: G007[|
<h}x7y?
template < typename Right > xU}J6 Tv
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const /L@6Ae
Right & rt) const +c,
^KHW
{ T:9M|mD
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); bZK^q B
} pjFj{
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 @Y>PtA&w*
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。 0vBQzM Q
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。 H*P+>j&
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。 Zk>m!F>,p
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。 J#t8xL
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? Z,81L3#6
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: :XPat93w
kC6Y?g
template < class Action > 4FZ/~Y1}
class picker : public Action H@~tJ\L
{ gs0`nysM#
public :
$#3[Z;\
picker( const Action & act) : Action(act) {} `Mcg&Mi~
// all the operator overloaded qPWf=s7!
} ; :}/\hz
,
LP'q$iB!
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。 ^N
4Y*NtV7
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: g)D@4RM
[z+YXs!N
template < typename Right > ^tWSu?9
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const TXS`ey
{ 3>73s}3
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); L~by `q N_
} jG)66E*"
Y9vVi]4
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > s{V&vRr
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。 a|#pl!
1
XJZuv,T:
template < typename T > struct picker_maker [7[Qw]J
{ [KbLEMrPba
typedef picker < constant_t < T > > result; NWQ7%~#k*
} ; T4gfQ6#
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > (njTS+?
{ 4;gw&sFF
typedef picker < T > result; ggYi 7Wzsd
} ; F MYcZ+4
pY&dw4V
下面总的结构就有了: ?hR0
MnP
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。 8m
`Y
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。 aG4 ^xOD
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 \Cin%S.C
至此链式操作完美实现。 "wKJ8
@H(7Mt
QtWe,+WWV
七. 问题3 #N64ZXz_
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。 :,R>e}lM
fQg^^ZXe"
template < typename T1, typename T2 > SMRCG"3qwA
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const @T>^
>
{ @,6*yyO
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Z?3B1o9
} m(kv:5<>
R\#5;W^
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: 3pL4Zhf
px+]/P<dX
template < typename T1, typename T2 > ,@f |t&
struct result_2 W$J.B!O
{ _FS #~z'j
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; nU\.`.39
+
} ; T2)CiR-b
Uspv^O9_
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? {TMng&
这个差事就留给了holder自己。 qs_cC3"=%=
/RxqFpu|.
p|a`Q5z!
template < int Order > I3T;|;P7
class holder; DW :\6k
template <> ba
,n/yH
class holder < 1 > ]W~M?1}
{ v4uQ0~k~X
public : ?:l:fS0:{
template < typename T > 5INw#1~
struct result_1 +>[zn
{ CtD<%v3`
typedef T & result; ?A r}QN
} ; U7f
o4y1}
template < typename T1, typename T2 > _+7P"B|\
struct result_2 mL'A$BR`
{ QyZ'%T5J
typedef T1 & result; XH/!A`ZK
} ; D@[#7:rHL
template < typename T > -HuIz6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const T-kHk(
{ w-v8P`V
return (T & )r; REi"Aj=
} CD^@*jH9"
template < typename T1, typename T2 > '@\[U0?@K
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const US9@/V*2
{ w+5OI9
return (T1 & )r1; iXXaB+w
} Xqew~R^MP
} ; U-f8D
?>vkY^/
template <> {BaPK&x,
class holder < 2 > =T?Xph{
{ s*i,Ph
public : ,lFzL3'_0x
template < typename T > dWwb}r(ky
struct result_1 BrzTOkeyG
{ 4Sdj#w
typedef T & result; Dsv2p~
} ; fmUrwI1 %
template < typename T1, typename T2 > _ |HA\!
struct result_2 <dBz]W
{ GU Mf}y
typedef T2 & result; >!o!rs
} ; [=Nv=d<[p
template < typename T > I{%(G(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 19oyoi"
{ 0XyPG
return (T & )r; Zx6h%l,%
} A4;~+L :M
template < typename T1, typename T2 > b#t5Dve
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const H,j_2JOY=
{ "tpD ->
return (T2 & )r2; h_\W7xt
} [+}0K{(O=
} ; /@DJf\`vM
!I91kJt7
|B^Picu
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> >。 [?2?7>D8
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: u'Hh||La"
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ;vpq0t`
M$6;&T
return l(i, j) = r(i, j); V;~\+@
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) j``Ku@/x0
~Q]::
return ( int & )i; 9c{ ~$zJW
return ( int & )j; o{mVXidE
最后执行i = j; #D>:'ezm
可见,参数被正确的选择了。 2:yXeSeA
dWhqu68_
65mfq&"P?
"Z dI~
i?mUQ'H
八. 中期总结 7 VYhRC-
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: sULsU t#
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 &{q'$oF
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 }XCh>LvX
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 8#1o
/Vx
EqIK
tWTC'Gx-J
MdTu722
xz+;1JAL3
7.kH="@
九. 简化 87+u`~
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 p}X *HJq$
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 vP%:\u:{
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: ~!%G2E!
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 <