一. 什么是Lambda >tm4Rg~y
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 GIhFOK
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, 'u6n,yRm
a&u!KAQ
%uvA3N>
$f+cd8j?o
class filler HJt
'@t=Ak
{ 6xx(o
public : }H|'W[Q.
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} F12$BKDH
} ; .z^O y_S{
$4hi D;n
gi$ 'x^]#
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: %JI*)K1WI
V,]Fh5f
?Cv([ ^Y.u
Ezr q2/~Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 0rxGb} b*
WAJKP"
Q;GcV&f;f
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 #X2wy$GTG
IUz`\BO4
Y~@(
m;!X{CV
二. 战前分析 JA4}Bwn
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。 kt+h\^g
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 yJMo/!DZ
GU]kgwSfi
QWE\Ud.q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 2?:'p[z"]
/* --------------------------------------------- */ LuVL<W
vector < int *> vp( 10 ); $@84nR{>
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); v>_83P`
/* --------------------------------------------- */ V>c !V9w
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); J+}z*/)|#
/* --------------------------------------------- */ oWEzzMRz
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); MeV*]*
/* --------------------------------------------- */ B qLL]%F
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 03"FK"2S
/* --------------------------------------------- */ dFmpx%+p
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ay]l\d2!3
5..YC=_20
tl`x/
zR)/h
看了之后,我们可以思考一些问题: D;[%*q*
1._1, _2是什么? /4|_A {m{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。
\UZ7_\
2._1 = 1是在做什么? @76I8r5l
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。 zx@L sp
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。 $i1:--~2\
Z+=-)&L
$:&b5=i
三. 动工 ElK Md
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: M>xT\
@^GI :z
taMcm}*T1
a)I>Ns)
template < typename T > pJuD+v
class assignment '*^9'=
{ "Y@q?ey[1
T value; UhJ!7Ws$
public : E&f/*V^
assignment( const T & v) : value(v) {} E6M*o+Y
template < typename T2 > <'\!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 7spZe"
} ; 4*HBCzr7[
204"\mv
#qv!1$}2
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 =Aw`0
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 2sp4Mm
-)xl?IB%
(p]S
m#4h5_N
class holder 2*a9mi
{ 3*\hGt,ZP
public : 8dCRSU
template < typename T > NE4]i
assignment < T > operator = ( const T & t) const #^(Yw|/K
{ `I(ap{
return assignment < T > (t); |;&I$'i
} K(HrwH`a{
} ; 'p@m`)Z
)0g!lCfb
`gyke2n
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: .`(YCn?\
.1z=VLKF'
static holder _1; .zTkOkL
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 pl$wy}W-
$ wDSED -
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?bg
/%o
而不用手动写一个函数对象。 zKp R:F
& eqqgLz
*9aI\#}
<$d2m6 J
四. 问题分析 vP=H 2P
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 2p4iir
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 -*OL+
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 VLJ]OW8cO
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ?@kz`BY
下面我们可以对这几个问题进行分析。 I!SIy&=W
xM@s`s|n
五. 问题1:一致性 ]9c{qm}y
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 0A-yQzL|
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ei"c|/pO
Q)lD2
struct holder _dW#[TCF
{ #{#k;va
// Ro4!y:2|
template < typename T > e/#6qCE
T & operator ()( const T & r) const 1$`|$V1
{ L\5:od[EP
return (T & )r; ,Q.[Lc=w
} <0? r#
}
} ; *'tGi_2?(
S9ic4rcd
这样的话assignment也必须相应改动: rBi6AM/
K\zb+
template < typename Left, typename Right > }E[vW
class assignment dvz6
{ 3\{\ al
Left l; Zg0nsNA
Right r; $!TMS&Wk
public : -]{
_^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} \(;u[
template < typename T2 > )>U"WZ'<
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } uH,/S4?X
} ; R(,m!
4'`H H
同时,holder的operator=也需要改动: wXZ9@(^
W~a|AU8]C
template < typename T > WFhppi
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 9W_mSum
{ qnnRS
return assignment < holder, T > ( * this , t); 94|ZY}8|f
} W]_a_5
BUV4L5(
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。 %4t?X
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 NU+PG`Vb
y>#kT
return l(rhs) = r; \I^"^'CP
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。 y7+n*|H
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: D:?"Rf{)
!%DE(E*'(
template < typename Tp > _n{_\/A6f
class constant_t UEt78eN
{ -#R`n'/
const Tp t; t0kZFU
public :
cfRUVe
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ^:mKTiA-
template < typename T > %M/L/_d
const Tp & operator ()( const T & r) const <|]i3_Z
{ ' o*\N%
return t; ~D`R"vzw=
} uFhPNR2l
} ; jTZi<
Y:bB
5w{U/v$Z
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 9ZR"Lo>3e+
下面就可以修改holder的operator=了 b$_qG6)IJO
>{-rl@^H:
template < typename T > 6ecx!uc$
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const )8'v@8;-
{ 7GG`9!l]D
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); UH;bg}=8
} B1s&2{L6K
{7MY*&P$,
同时也要修改assignment的operator() mG\9Qkom|
/~7M @`1
template < typename T2 > Z_<NUPE
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } +2}Ar<elP
现在代码看起来就很一致了。 R>1oF]w
2"j&_$#l5X
六. 问题2:链式操作 i,%N#
现在让我们来看看如何处理链式操作。 vjh'<5w9Wi
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。 vpOGyvI
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。 ^k{/Yl
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。 g>eWX*Pa|
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct m=/HUt3(&0
p_e x
template < typename T > (n_.bSI
struct result_1 $uUyp8F
{ 2']0c
z
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 6 b?K-)kL
} ; R/Sm
)56L`5#tS
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: e6qIC*C !
rg#/kd<?[V
template < typename T > zQt)>Qx_
struct ref !{ _:k%B
{ AW9%E/{
typedef T & reference; DT6BFx
} ; rM6S%rS
template < typename T > {{[@ X
struct ref < T &> z|Xt'?9&n
{ yp@cn(:~
typedef T & reference; UfV {m
} ; 9$VdYw7D
<Hz11
}<(
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: CDW|cr{
7~ZG"^k
template < typename T > SrOv*
D 3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 1DL+=-
{ cXN0D\%`
return l(t) = r(t); #BS!J&a
} l^o>7 cM
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。 R`@7f$;wG
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 a8%T*mk(
mz;ExV16
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 ~7Nqwwx
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: aO9\8\^
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 E%stFyr9`/
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Do^yer~
最后的布局是: -xJ\/"A
Add gu'+kw
/ \ 7)Tix7:9S;
Divide 5 |8x_Av0
/ \ i12G\Ye
_1 3 j.+,c#hFo
似乎一切都解决了?不。 Et}%sdS
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。 ^{++h?cS)
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。 1hV&/Qr
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: /w2IL7}
x}d5Y
template < typename Right > $[J\sokpY
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const je>gT`8
Right & rt) const rEU1
VvE
{ 6Q+VW_~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); !ueh%V Ky
} ?6I`$ &OA
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 BP4vOZ0$
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。 ?o/p}6
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。 ilQ\+xR{b
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。 Yx ;j
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。 to#2.
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? 9{A*[.XK]
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: 09G]t1!,
TLVfu4
template < class Action > b
Hy<`p0
class picker : public Action [ei5QSL |
{ AJRiwP|H+
public : gKIN* Od
picker( const Action & act) : Action(act) {} (KfdN'vW
// all the operator overloaded H-X5A\\5
} ; =aehhs>
O&">%aU1I
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。 v57Kr ,
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: (ijO|%?
MUN:}S
template < typename Right > =3,Sjme
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const *S Z]xrs
{ U?(,Z$:N
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); J=n^&y
} sn@)L ~$V
g|!=@9[dv
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Ww{-(Ktx
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。 -r0oO~KT
1;>RK
template < typename T > struct picker_maker xlW>3'uHfa
{ FOcDBCrOe
typedef picker < constant_t < T > > result; Mq6_Q07
} ; `]Vn[^?D
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > *I9G"R8
{ kaCn@$
typedef picker < T > result; W*4!A\K
} ; <)@^TRS
_)#~D*3
下面总的结构就有了: fK=vLcH
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。 wp-3U}P2(
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。 23q2u6.F`
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 3v<9 Z9O
至此链式操作完美实现。 rO1.8KKJ
jqoU;u`
U(:t$SBKy
七. 问题3 F0Z cV>j}
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 mOYXd,xd
a6op
template < typename T1, typename T2 > A?c?(~9O
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Gs}lw'pK
{ T9'5V@
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); %,) Xi
} R"PO@v
Q@UY4gA'
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: xtp55"g
KV'-^\
template < typename T1, typename T2 > 6r,zOs-I]
struct result_2 q.lh
{ 'wTJX>
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; u #7AB>wi{
} ; @{8805Dp
jbTyM"Y
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? j !`2Z@
这个差事就留给了holder自己。 ]g9n#$|.
=iPQ\_ON@
u\UI6/
template < int Order > cuQ=bRIb
class holder; 6[>Z y)P
template <> 2wgdrO|B
class holder < 1 > 2{#=Ygb0
{ Wy$Q!R=i
public : \G1(r=fU
template < typename T > /M_kJe,%
struct result_1 oga0h'
{ 5wMEp" YHE
typedef T & result; Xc]Q_70O
} ; Qp>Q-+e0
template < typename T1, typename T2 > PFeK;`[
struct result_2 O,KlZf_B
{ =TXc- J
typedef T1 & result; yAVt[+0
} ; vy F(k3W
template < typename T > k+cHx799
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const cGjkx3l*
{ eD 7Rv<
return (T & )r; W-ECmw(
} `#N7ym;s@
template < typename T1, typename T2 > /ec~^S8X
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const rkWW)h(e
{ k\M">K0E
return (T1 & )r1; BH=CoD.
} z3-AYQ.H
} ; u\G\KASUK%
Jz\'%O'
template <> NW;wy;;
class holder < 2 > w2`j&]D6
{ aw/5#(1R
public : n
6|\
template < typename T > R2[!h1nZ
struct result_1 Rd*/J~TK
{ "mkTCR^]e
typedef T & result; Cqk6I gw
} ; LIHf]+
template < typename T1, typename T2 > o>Z+=&BZ@a
struct result_2 $(%t^8{a~G
{ yh Ymbu
typedef T2 & result; \7,'o] >M-
} ; ;rH@>VrR
template < typename T > pF"IDC
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const O8ZHIs
{ PK*
$
return (T & )r; .{W)E
} sWnU*Q
template < typename T1, typename T2 > YEqWTB|w
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Bhrp"l
+|
{ :!Tb/1
return (T2 & )r2; v4Q8RE?
} /=qn1
} ; >j$CM:w
)Hy|K1
?5 d3k%
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 5 ERycC y
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: C zvi':
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 07+Qai-]
<kmn3w,vi
return l(i, j) = r(i, j); w~g)Dz2G
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) `4 A%BKYB
KmkPq]
return ( int & )i; ),)]gw71QW
return ( int & )j; [e'Ts#($A
最后执行i = j; f/qG:yTV`
可见,参数被正确的选择了。 Sf\mg4,
oa|nQ`[
fhmqO0
Rj=xn(@d
qzqv-{.h
八. 中期总结 &u_f:Pog
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: 6]^}GyM!
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 l8hOr yB&
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 [?hc.COE
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor o3l_&?^
O=St}B\!m
OPwj*b:-m
ZWSYh>"
7m=tu?@
puz~Rfn#*
九. 简化 X@)5F 9
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。 {e?D6`#x
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 PQ|kE`'
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:
}ya9 +?I
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 pRj1b^F5y
+-*/&|^等 8:,l+[\
2. 返回引用。 LEkO#F(
=,各种复合赋值等 i9oi}$;J
3. 返回固定类型。 pVt8z|p_;{
各种逻辑/比较操作符(返回bool) &la;Vu"dp
4. 原样返回。 fG5 U' Vw
operator, m$:o+IH/
5. 返回解引用的类型。 b{t'Doe
operator*(单目) n-{G19?
6. 返回地址。 p/xxoU
operator&(单目) Nq)=E[$
7. 下表访问返回类型。 n||/3-HDj
operator[] _}7N,Cx
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 </|IgN$w`
operator<<和operator>> *O|Z[>
Llk4 =p
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 R;f!s/^)
例如针对第一条,我们实现一个policy类: cSBYC_LU
n8[
sl]L
template < typename Left > ".eD&oX{
struct value_return QOkPliX
{ Qd 1Q~PBla
template < typename T > ]dc^@}1bN
struct result_1 A\_cGM2
{ 2hl'mRW
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 5~ CHj
} ; b&Qj`j4]ZM
jnX9] PkJ
template < typename T1, typename T2 > )G0a72
struct result_2 iU\WV
{ %J?;@ G)r
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; |?SK.1pW
} ; &'UYV>
} ; aO?(ZL
e/EfWwqt
tQB+_q
z
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait =9e()j
{
D1.
下面我们来剥离functor中的operator() T2
0dZ8{y
首先operator里面的代码全是下面的形式: ]C-hl}iq
]%3o"|
return l(t) op r(t) g6k@E,cI_
return l(t1, t2) op r(t1, t2) YsXP$y]g-
return op l(t) z{cI G8z
return op l(t1, t2) o jzO?z
return l(t) op 2![.Kbqa%
return l(t1, t2) op AW4N#gt8',
return l(t)[r(t)] 'c\zWmAZ
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] JB a:))lw
69 R8#M
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: :Q=Jn?Gjb
单目: return f(l(t), r(t)); s2Ivd*=mT
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); .
Yg)|/
双目: return f(l(t)); RZ9vQ\X
U)
return f(l(t1, t2)); 7E4=\vM
下面就是f的实现,以operator/为例 `(<XdlOj
pm,&