一. 什么是Lambda nv[Sb%/
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 s3RyLT
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, Q7aDl8L xn
!?M_%fNE
*R6eykp
d/zX%
class filler uR@Wv^
{ Zdg{{|mm
public : :
MmXH&yR
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} A;nmua-Fv
} ; =5_F9nk-
P FFw$\j
l6U'
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: T S8E9#1a
(_5+`YsV
!3v"7l{LF
d<m>H$\Dm
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); tU2;Wb!Y
F"TI9ib
C`<} nx1
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 {:8[Mdf
TUn@b11
%}5"5\Zz
d7zE8)D U7
二. 战前分析 M!DoR6
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。 Y9ce"*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 Ph_m'fbf
/;$ew~}
)Bvu[rUy
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); >A "aOV>K
/* --------------------------------------------- */ &-Y:4.BX Z
vector < int *> vp( 10 ); 07Cuoqt2
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); z ate%y
/* --------------------------------------------- */ zO]dQ$r\Z
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Q&a<9e&
/* --------------------------------------------- */ d~$t{46
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); SLB iQd.
/* --------------------------------------------- */ \>dG'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); #,{v Js~
/* --------------------------------------------- */ 8~+Msn:
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); XdVC>6
M_)T=s *
vt=S0X^$yc
e|9Bzli{
看了之后,我们可以思考一些问题: DNO%J^
1._1, _2是什么? Mxp4 YQl
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。 x G"p.
2._1 = 1是在做什么? NdQ?3'WJ
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。 jC8BLyGE_
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。 raZRa*C;
yiA\$mtO
EwZt/r
三. 动工 Kg67cmj)f
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: dju{&wo~4
FKm2slzb
"t`e68{Ls
%LW~oI.
template < typename T > ? D'-{/<4
class assignment V-u\TiL
{ 4f-C]N=
T value; @"2-tn@q_
public : 99-\cQv
assignment( const T & v) : value(v) {} 9K(b Z{
template < typename T2 > Q:|E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } emO!6]0gJ
} ; H9[.#+ln
_{);n$ `
P=z':4,M}
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Y" |U$
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment [_Z3v,vt,
<[~M|OL9q,
IrM3Uh
kS!*kk*a
class holder % m$Mnx
{ PrxXL/6
public : 0CYI,V
template < typename T > $OuA<-
assignment < T > operator = ( const T & t) const $a1.c;NE'
{ oLRio.u*
return assignment < T > (t); BpE[9N
} ?2c:|FD
} ; $5O&[/L
>8-
`
>cLZP#^\2E
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Y?x3JU0_
k0|InP7
static holder _1; ^ 2tCDm5
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ]~,'[gWb
n$iz
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ;pq4El_
而不用手动写一个函数对象。 v\u+=}rl
07&S^ X^/
Pr'py
35et+9
四. 问题分析 5#tvc4+)
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。 C5FtJquGN)
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。 c-{]H8$v
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ymu# u
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 p};<l@
下面我们可以对这几个问题进行分析。 W'yICt(#G
Fx 2&ji6u
五. 问题1:一致性 3f
x!\
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 6A<aelE*i
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ~C3-E %h@Z
dXQWT@$y!E
struct holder 7EUaf;d^
{
|H49FL
// $TiAJ}:
template < typename T > ,P]{*uqGiB
T & operator ()( const T & r) const u)ItML
{ 57rP@,vj
return (T & )r; *{Vyt5
} A,@"(3
} ; r\?*?sL
iFnM6O$(
这样的话assignment也必须相应改动: Gl(,%~F9i
iZF{9@
template < typename Left, typename Right > w@R-@
G
class assignment W%x#ps5%
{ ZO}*^
Left l; 5NK:94&JE
Right r; [ q}WS5Cp
public : 9i@*\Ada
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} |tkmO:
template < typename T2 > ,;g:qe3D$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } l\)Q3.w
} ; LBzpaLd
X^`ld&^*({
同时,holder的operator=也需要改动: K7U<~f$OiN
qW9|&GuZ$
template < typename T > 6Z 7$ZQ~
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const b`'
;`*AN+
{ Mmn[ol
return assignment < holder, T > ( * this , t); ) PtaX|U
} +4 dHaj6
! JN@4
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 XT\;2etVL
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 &yuerNK
ZsE8eD
return l(rhs) = r; 7u; B[qH
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 #HML=qK~
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: (s*}=
QLn5:&
template < typename Tp > K4~dEZ
class constant_t Sq,x@
{ .%o:kq@B
const Tp t; NGxuwHIQ8
public : am=56J$ig
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} DN+iS
template < typename T > /W;;7k
const Tp & operator ()( const T & r) const ck;owGlT
{ 3N-(`[m{E
return t; 6
J#C
} a^N/N5-Z
} ; [Z 1Eje X
t{ 'QMX
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 a v/=x
下面就可以修改holder的operator=了 ie)Qsw@
1FuChd
template < typename T > CBc}N(9
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const p"ZPv~("V
{ d7@ N~<n
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); PO#FtG
} FU<rE&X2:
}k%>%xQ.
同时也要修改assignment的operator() }rN"H4)
@Q'5/q+
template < typename T2 > Jv5G:M5+~
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } E3'6lv'
现在代码看起来就很一致了。 aw~OvnX E
Z@>>ZS1Do
六. 问题2:链式操作 U6{ RHS[
现在让我们来看看如何处理链式操作。 kG{(Qi
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。 kb>9;-%^JK
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。 *op7:o_
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。 v / a/
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct |Q$C%7
)]>9\(
template < typename T > f,$FrI,
struct result_1 H_x35|"
{ bF3j* bpO"
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; uzsR*x%s-
} ; s;A]GJ
YO=;)RA
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: SU*P@?:/}
nC z[#t
template < typename T > ]M_)f
struct ref Vi]D](^!
{ RD~QNj9,T
typedef T & reference; z*FlZLHY
} ; Ih{~?(V$
template < typename T > f+d{^-
struct ref < T &> >$}nKPC,Y
{ Z:'2puU+?
typedef T & reference; d(k`Yk8
} ; i+2J\.~U#G
y};qo'dlt
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 9,,1\0-T*
OuX/BMG
template < typename T > j,Mp["X&
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 7IHWj<
{ h~dM*yo;
return l(t) = r(t); @NO&3m]
} 7"M7N^
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 }L@YLnc%
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 E_$ST3
BWd?a6nU}
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 -cG?lEh<
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: B3K%V|;z
)
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ]SK (cfA`
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 DK:d'zb
最后的布局是: p/@z4TCNX
Add { `-EX
/ \ qlSMg;"Ghw
Divide 5 ^y&l!,(A
/ \ E#T'=f[r~
_1 3 bMgp
似乎一切都解决了?不。 :5;[Rg5
2
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。 E]Kd`&^}
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。 rBpr1XKl,
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: >KC*xa"
,1QU
template < typename Right > B-JgXW.\0
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const _/7[=e}y
Right & rt) const W&6ye
{ UIbVtJ
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /9W-;l{=z
} 8ec~"vGLz~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 o
KX!{
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。 +n1}({7m
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。 cYW F)WAog
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。 Ix-FJF-
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。 G`gYwgU;
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? 2=u5N[*
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: ,c}Q;eYc3
UP%X`
template < class Action > D6c4tA^EO
class picker : public Action ;w[|IRa
{ N!^U{;X7/
public : GXJJOy1"!
picker( const Action & act) : Action(act) {} z&9vKF
// all the operator overloaded 2A
{k>TjQ
} ; ad }^Dj/
<c^m|v
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。 =@&]PYv
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: O>)8< yi$
qzsS"=5
template < typename Right > (Kv[~W7lb
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const M%sWtgw(
{ "VB-=. A
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); L0_R2EA
} 9Jaek_A`
8iR%?5 >K
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > YM/^-[k3
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。 gey`HhZp)
s3Y
\,9\
template < typename T > struct picker_maker |'b=xeH.^<
{ "{AS5jw
typedef picker < constant_t < T > > result; &3'II:x(
} ; B7_:,R.l
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Of SYOL7o
{ HmAA?J}
typedef picker < T > result; 66Huqo
} ; R/A40i
$yI!YX&
下面总的结构就有了: ?:~Y%4;
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 }vPDCUZ
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 Ri"3o
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 z9u"?vdA
至此链式操作完美实现。 )@DH&
)2C_6eR
g>_lU
vSE
七. 问题3 .cdm@_Ls
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 OW<i"?0
k6_RJ8I
template < typename T1, typename T2 > HeZ! "^w
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const I83ZN]
{ #/Y t4n
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); AF g*
} w4H3($
K
_Pjo9z
9
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: 9&q<6TZ z
O,>1GKw"\
template < typename T1, typename T2 > Q/o!&&
struct result_2 Z"<aS&GH
{ kz\
D-b
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; JEL=,0J
} ; DBANq\
O;h ]
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? (9]`3^_,J
这个差事就留给了holder自己。 ,R5NKWo
5M4mFC6
"K5n |{#
template < int Order >
#"&h'V
class holder; 8;mn7 XX
template <> *lRP ZN
class holder < 1 > /Y_F"GQ
{ L']EYK5
public : dPwe.:
template < typename T > <cW$
\P}hV
struct result_1 Va/LMw
{ T>2) YOx
typedef T & result; D$
zKkPYI
} ; cobq+Iyu
template < typename T1, typename T2 > Mt (wy%{zK
struct result_2 #80DM
{ ?sWPx!tU
typedef T1 & result; r+-KrO'
} ; xWWfts1t
template < typename T > -K hXb
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const h~)oiT2v
{ 4vq,W_n.hQ
return (T & )r; xwhH_[
} 2qLRcA=R
template < typename T1, typename T2 > ) E.KB6
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /~)vma1<
{ rs2G{a
return (T1 & )r1; +e+hIMur
} u POmiF
} ; XP~bmh,T,
&@u;xc| v
template <> /Aooh~
class holder < 2 > H
RJz
{ lp3 A B
public : 7K>FCT
template < typename T > &;S.1tg
struct result_1 Vb*q^
v
{ c-.t8X,5(~
typedef T & result; rK)aR
} ; ac%%*HN,
template < typename T1, typename T2 > KSU?Tg&JR
struct result_2 %
\p:S)R
{ aRPgo0,W1
typedef T2 & result; yb*P&si5bY
} ; ?3~]H
template < typename T > S7&w r@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const nQ2V
{ k_?xiOSh
return (T & )r; xtMN<4#E
} xzTTK+D@
template < typename T1, typename T2 > N+%E=D>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const :=WiT_M
{ RO"c+|Py
return (T2 & )r2; E:/G!1
} ZnSDq_Uk
} ; VZBT'N
H'|b$rP0@
%SuEfCM
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 :fz&)e9
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: awLN>KI]</
首先 assignment::operator(int, int)被调用: aTF~rAne<
Sd/?xyF1(
return l(i, j) = r(i, j); d~@&*1}
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) +oa\'.~?
u!I Es
return ( int & )i; sXHrCU
return ( int & )j; T"7Ue
最后执行i = j; Hl`S\
可见,参数被正确的选择了。 tPu0r],`o
&:1PF.)N
'<!
b}1w0
uYjE)"
_Iz JxAcJ
八. 中期总结 ^Ud1 ag!-
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: Co[fq3iX#
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 "f^s*I
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 K.3)m]dCl
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor o5=1
lw/zgR#|
21(8/F ~{
gz{~\0y
| %E\?-TK
}M3f ?Jv
九. 简化 .MNi)+
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 S"t6 *fWr
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ryhme\%l;f
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ;%-f>'KhI7
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 }^T7S2_Qy
+-*/&|^等 Zp5;=8wa;
2. 返回引用。 >lyX";X#
=,各种复合赋值等 05$;7xnf(
3. 返回固定类型。 W lDcKY
各种逻辑/比较操作符(返回bool) sZ~q|}D-
4. 原样返回。 LW+a-i
operator, RM^3Snd=V
5. 返回解引用的类型。 H{XbKLU
operator*(单目) BGk>:Z`
6. 返回地址。 P''5A6#5
operator&(单目) :.;pRz
7. 下表访问返回类型。 4<`Qyul-
operator[] t(<^of:
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 K})=&<M0
operator<<和operator>> )SkJgzvC
bCv=Uo,+6
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。 DV={bcQ
例如针对第一条,我们实现一个policy类: U`{'-L.
"Jd!TLt\x
template < typename Left > rL{3O4O
struct value_return >Yr-aDV
{ {_#~&I