一. 什么是Lambda GRbbU#/=G
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 g.@[mf0r
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, GT6i9*tb#
-5+Yz9pv[
1' U
*2->>"kh
class filler *
7Ov.v%
{ &C+2p
public : XLCqB|8`V
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Z>bNU
} ; _!qD/[/
|
U"fhG=g
EI6kBRMo
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: su%-b\8K
GI/NouaNfm
,++HiYOG}e
~Yi4?B<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 0VtjVz*C7&
Q|h$D~
zpT^:Ag
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 n19A>,m
GHd1?$
^ExuIe
hE5?G;
二. 战前分析 } SWp~3P
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。 5~?6]=hl
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 $j\>T@
QrK%DN
UtTlJb{-j
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); >fI\f <ez
/* --------------------------------------------- */ `x/i1^/_@
vector < int *> vp( 10 ); p03I&d@w>
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ;Y;r%DJ
/* --------------------------------------------- */ lWj*tnnn[
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 4~h0/H"
/* --------------------------------------------- */ !>> A@3
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); .ZF%$H
/* --------------------------------------------- */ \{:A&X~\!
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); jDb\4QyC
/* --------------------------------------------- */ 7WS$fUBi
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); v{t
pRL0
hZ*vk
tt?`,G.(]
2}pZyS
看了之后,我们可以思考一些问题: BYEZ[cM
1._1, _2是什么? JS^DyBXc
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 G`O*AQ}[
2._1 = 1是在做什么? rP7
QW)NF
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 c86KDEF
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 uq s
9)W3\I>U-
~k"b"+2
三. 动工 k-=lt\?
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 6R<+_e+v
wB0vpt5f
\z.bORy
~:7y!=8#
template < typename T > R)JH D7
1
class assignment ub~ t}
{ ^.8~}TT-U
T value; sk3 9[9
public : -`XS2
assignment( const T & v) : value(v) {} O)vGIp?f't
template < typename T2 > L5I!YP#v
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } R&.&x'<
} ; 0}NDi|o
hxMRmH[f:
E|c(#P{
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 1k4\zVgi
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 56<U xIa~
tdxzs_V,-
;hDk gp
bpZA%{GS
class holder uPl}NEwU|
{ &"K_R(kN
public : :VP4: J^
template < typename T > #;ObugY,
assignment < T > operator = ( const T & t) const {f-O~P<Z4
{ W%>T{}4
return assignment < T > (t); mA$y$73=T
} }Mt)57rU
} ; 0)d='3S
G7" (,L` 5
stajTN*J
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: rHw#<oV
8+|W%}
static holder _1; s,#We} bv
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 u~M$<|;
n46!H0mJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); H~s8M
而不用手动写一个函数对象。 6?[P^{GpH
IxuK<Oe:O
rIFW1`N}i
%p
四. 问题分析 b-VtQ%Q
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。 7nnF!9JOv
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。 K9Mz4K_
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 QyVAs ;
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 )S+fc=
下面我们可以对这几个问题进行分析。 vx($o9
SgxrU&::
五. 问题1:一致性 i%.NP;Qq]M
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| R`<2DC>h9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 7BU7sQjs
kVWcf-f
struct holder E& 6I`8
{ [G$ #jUt/O
// Rmmu#-{Y
template < typename T > \O "`o4
T & operator ()( const T & r) const 46NuT]6/4
{ o+=wQ$"tP
return (T & )r; o 7kg.w|
} #&kj>
} ; /J-'[Mc'D[
*h0D,O"0
这样的话assignment也必须相应改动: RN-gZ{AW
.8s-)I
template < typename Left, typename Right > f#:3TJV
class assignment \:{K",2
{ YOLzCnI4
Left l; uT,i&
Right r; LcvczST
public : C `_/aR6
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 9F[3B`w
template < typename T2 > Hh;lT
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } uc+{<E3,%
} ; q]OIP"yv
Ph""[0n%o
同时,holder的operator=也需要改动: O>pX(DS
L
4@fv%LOQo
template < typename T > _N|%i J5
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Ga02Zk
{ ,on]Fts
return assignment < holder, T > ( * this , t); W{'hn&vU
} Z qn$ >mG-
7P3pjgh
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。 N\__a~'0p
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 %r1#G.2YW
Qb?a[[3
return l(rhs) = r; !gW`xVGv
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。 (4 ZeyG@
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: P
_fCb
/gF)msUF
template < typename Tp > ^OQP;5 #K
class constant_t (K=0c6M3=
{ %]I#]jR
const Tp t; #d$zW4ur2
public : 6k;5T
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} L>IP!.J]?
template < typename T > ~{lb`M^]h
const Tp & operator ()( const T & r) const X<8|uP4
{ I ==)a6^
return t; dlfjx
} Rs"=o>Qu
} ; 6agG*x
8a8a:d
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 k@lJ8(i^qU
下面就可以修改holder的operator=了 \0 h>!u
vVo'f|fW
template < typename T > 3?V'O6
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const G@ot^n3
{ 0=HB!{@
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 9*s8%pL
} N}U+K
QxW+|Gt._
同时也要修改assignment的operator() }O~D3z4l0
]*| hd/j
template < typename T2 > 9*I[q[>9
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 5B:"$vC{=
现在代码看起来就很一致了。 QEqYqAGzu|
/Q@4HV
六. 问题2:链式操作 eG(YORkR
现在让我们来看看如何处理链式操作。 DlCN
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。 Wo&22,EB
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。 +I5\`By=
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。 X8Z) W?vu
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ]>)shH=Yx
l[[`-f8j
template < typename T > _Kaqx"D
struct result_1 BN]o!Y
{ j7&#R+f
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; gD)M7`4
} ; s3A(`heoq
9U<WR*H
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: S>x@9$( ym
"vybVWEE
template < typename T > V z
struct ref Qc*p+N+$
{ !b!An; ',
typedef T & reference; C0w_pu
} ; Ux',ma1JK
template < typename T > bX38=.up
struct ref < T &>
'v Vt^h2
{ }\<=B%{
typedef T & reference; >(H:eRKq
} ; x/{-U05
-5og)ZGVUA
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :a&M]+!
]g$ky.;
template < typename T > 46T(1_Xt~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ~`e!$=
{ ' u<I S/w
return l(t) = r(t); }Jh.+k|_
} 6,LE_ -G5
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。 XixjdBFP
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 am/}V%^
.a2R2~35
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 (^B1Kt!<
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: qmpT G:+
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 AoGpM,W]5
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 _hV34:1F
最后的布局是: ~H \P0G5GA
Add ]vcT2lr]
/ \ NaoOgZ?
Divide 5 ^3sv2wh^|8
/ \ ?pJ2"/K
_1 3 Ma?uB8o+~
似乎一切都解决了?不。 Z*3RI5)dx
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。 W!ug^2"
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。 r:o9:w:
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: hO> q|+mC
~ a2A"#f
template < typename Right > ]v:,<=S
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Iw[zN[oz
Right & rt) const Hvz;[!
{ Nz{qu}dt
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _gK}Gi?|
} ZJbaioc\
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 -{*3<2rFK
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。 Jityb}Z"
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-(NWxK+
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。 u=@zYA(
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。 %Jl6e}!
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? >N!
Xey
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: qYe`</
.DwiIr'
template < class Action > j#c@dze
class picker : public Action H{E(=S
{ tAjT-CXg
public : ![{/V,V]~
picker( const Action & act) : Action(act) {} A#q.)8
// all the operator overloaded lu>G=uCJ
} ; s +S6'g--
W)Y-^i5
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。 of7'?]w
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: &Pv$nMB$I
^K[xVB(&
template < typename Right > A-vYy1,'
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const K;THYMp/[
{ aTHf+;
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); W1o6Sh8v(
} 3k6Dbz
ZiKO|U@/
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > L1lDDS#
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。 E}w5.1
;gHcDnH)
template < typename T > struct picker_maker LmsPS.It
{ Qj
[p/H$
typedef picker < constant_t < T > > result; JUGq\b&m
} ; v^/<2/E"?4
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 4Z{R36 {
{ b't6ekkN
typedef picker < T > result; 3:sc%IDP
} ; 1A;,"8kBd
XH0Vs.w
下面总的结构就有了: ]_s;olKNI
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。 HIj:?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。 o|84yT!~
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Qe7
SH{
至此链式操作完美实现。 o^uh3,.
RigS1A\2l
h+q#|N
七. 问题3 ^|U5@u_
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。 PCDvEbpG
'q/C: Yo
template < typename T1, typename T2 > w5-^Py
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~tNk\Kkv
{ ~P!=fU)
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); =<M>fJ)
} o}wRgG
[D?xd/G
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: Ub\&k[F
+=L+35M
template < typename T1, typename T2 > 9*"K+t:
struct result_2 RM%Z"pc Y6
{ tg%<@U`7=
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; |Cfo(]>G
} ; S._h->5f
H-WNu+
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? l) KN5V
这个差事就留给了holder自己。 SzG
%%CXH_
3uvl'1(%J
rP6k}
template < int Order > 7 oYD;li$k
class holder; kd
p*6ynD
template <> 9)b{U2&
class holder < 1 > {c1wJ
{ LBpAR|
public : ! "08TCc<
template < typename T > guy!/zQ>A
struct result_1 @[/!e`]+
{ Vhm^<I-d
typedef T & result; sdewz(xskj
} ; v<0S@9~
template < typename T1, typename T2 > N'5DB[:c:
struct result_2 u0uz~ s
{ 3WfZ zb+
typedef T1 & result; Y8mv[+Z
} ; u7p:6W
template < typename T > 2<2a3'pG
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Np~qtR
{ phwq#AxQ
return (T & )r; X5tV Xd
} s, #$o3
template < typename T1, typename T2 > <dk9n}y<,
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const !C.{nOfyv
{ G<*h,'B
return (T1 & )r1; !VfVpi+-
} iIo>]\Pw
} ; h*
/
Ki)hr%UFw
template <> +@rc(eOwvN
class holder < 2 > V/"41
{ >\5ZgC
public : uMC0XE|S
template < typename T > z8};(I>)
struct result_1 i)ibDrX!I
{ G_5NS<JE"S
typedef T & result; +A_jm!tJS(
} ; 1@<>GDB9
template < typename T1, typename T2 > B7'2@+(
struct result_2 /hyCR___
{ Ga*
typedef T2 & result; aUBu"P$J
} ; =0U"07%}
template < typename T > j!"N Eh78H
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 5_L43-
{ o{|
|Ig
return (T & )r; Y7yzM1?t
} @qsOWx`l$
template < typename T1, typename T2 > hP1;$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const C4C!-12
{ pq5bK0NQ
return (T2 & )r2; l%xeM!}
} sy9Yd PPE
} ; Qnp.Na[JV
piiO5fK|
_lk5\bu
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> >。 |VoYFoiQ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: =u&NdMy
首先 assignment::operator(int, int)被调用: RKz _GEH)
y|D-W>0cX3
return l(i, j) = r(i, j); `VOLw*Ci
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) "6
SYK?5_804
return ( int & )i; (pQ$<c
return ( int & )j; ^m^,:]I0P
最后执行i = j; '8Lc}-M4
可见,参数被正确的选择了。 p WKpc
&[}5yos
r
%u$dN9cw
nHF
Jc9^Hyqu&
八. 中期总结 $2*&\/;-E!
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 3nkO+qQ
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 'P)[=+O?t
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 CQ%yki
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor >qIZ
KTu&R6|
=}4lx^`oeT
l'Z `%}R
mc5$-}1V,
`?Xt ,
九. 简化 }A_>J7w
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。 ~f%AbDye
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 t!vlZNc
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: o)6udRzBv
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 8"S?
Toqq
+-*/&|^等 bk-aj'>+
2. 返回引用。 7llEB*dSA
=,各种复合赋值等 GUK3`}!%
3. 返回固定类型。 vR\[I V?
各种逻辑/比较操作符(返回bool)
gIXc-=Ut
4. 原样返回。 _N`pwxpsb
operator, =E%<"FB
5. 返回解引用的类型。 =R\-mov$
operator*(单目) q\5C-f
6. 返回地址。 Z})n%l8J]p
operator&(单目) \ \~4$Ai[
7. 下表访问返回类型。 t]%!vXo
operator[] kOuQR$9s
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ^l/$ 13=
operator<<和operator>> }u7&SU
q&wXs