一. 什么是Lambda }f45>@uMW
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 3@7IY4>o
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, :(ni/,~Q
TL'^@Y7X5
iEjUo,
Y[
F|nJ3:v
class filler WTK )SKa,.
{ H}vq2 |MN
public : SA!P:Q?h
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Qu]F<H*Y|
} ; ;&=c@>!xP#
vuN!7*d+
B*B}eXUph
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: 4E:kDl* @
f_'#wc6
$^~dqmE2,
_!_%Afz
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); xYSNop3_
_=$:<wIE[
, !0-;H.Y
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 x`9IQQ
q.I
@,kR<1
6)5Akyz4V
二. 战前分析 A}"aH
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。 fRlO.!0(
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 : ZehBu
*{TB<^ *
n06T6oc
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); P~xP@?I%
/* --------------------------------------------- */ ZE393FnE
vector < int *> vp( 10 ); 3FetyWl'
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); xWR<>Og.
/* --------------------------------------------- */ A-S!Z2m\
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); a>6@1liT
/* --------------------------------------------- */ 'TwvkU"
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); \+,%RN.
/* --------------------------------------------- */ |
6/ # H*
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); }:SWgPfc
/* --------------------------------------------- */ `!- w^~c
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); V\|V1c
$Jc>B#1
h=*eOxR"4^
D05JQ*
看了之后,我们可以思考一些问题: q/qJkr^2
1._1, _2是什么? )+L.$h
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。 1>)q5D
2._1 = 1是在做什么?
7j,u&%om
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。 7^bde<0
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。 J) I|Xot
&GKtD)
Fm-D>PR
三. 动工 jt5:rWB
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: a|Yry
b_v {Q E<
nA1059B
;nx? 4f+6h
template < typename T > DWXxB
class assignment {VK
{ {>r56\!F
T value; sR;^7(f!m
public : Lkf}+aY
assignment( const T & v) : value(v) {} _ -6IB>
template < typename T2 > /l6r4aO2=
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } J
n~t>?
} ; zLt7jxx
SN<Dxa8Iy
.=`r?#0
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 0D==0n
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment v$JhC'
G_1`NyI
hf('4^
V(#z{!
class holder i!KZg74V
{ + $Yld{i
public : **KkPjAO?
template < typename T > L;%_r)
assignment < T > operator = ( const T & t) const 7%`
\E9t
{ wbImE;-Z
return assignment < T > (t); 0pW?v:!H
} HzdyfZ!jR
} ; qvH RP@
Bj1{=Pvl
Or:a\qQ1
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: n-)Xs;`2
31*0b|Z
static holder _1; DMXm$PU4V
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 V7}3H2]^
qZ=%ru
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); lk(.zYaaN
而不用手动写一个函数对象。 2N/4.
5,~Ju>y*
5&Vp(A[m[
\+3P<?hD#
四. 问题分析 ,GVD.whUl
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。 _(zPA4q8q
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。 I&Dp~aEM]
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 -F338J+J24
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 5J vrQGvL
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ibj3i7G?
]-+%]'
五. 问题1:一致性 Ho!dtEs
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?| "I}]]?y
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 +=o?&
&)Z!A*w]
struct holder K3I|d;Y~X!
{ K.l7yBm
// 552yzn1
template < typename T > ipi^sCYp
T & operator ()( const T & r) const MpCK/eiC
{ /&jh10}H
return (T & )r; CtO;_;eD'
} 0; PV gO;9
} ; vCe]iB
[OU[i(,{
这样的话assignment也必须相应改动: EmFL
%++V
-:]-g:;/
template < typename Left, typename Right > =ICakh!TO
class assignment 'Z{_ws
{ }#D+}Mo!,
Left l; QKVFH:"3
Right r; (fUpj^E)p
public : [G#PK5C
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [gE_\=FSKu
template < typename T2 > L5{DWm~@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ")xd 'V
} ; ^f?>;,<&
FbU98n+z
同时,holder的operator=也需要改动: e{RhMjX<D
lHI;fR
template < typename T > nP5T*-~
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const }Kt1mmo:`
{ f8JWg9m
return assignment < holder, T > ( * this , t); ):5M +
} a\]glw\;
=Ul{#R
z
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。 m6 V L
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 E/5/5'gBJO
VxTrL}{(6
return l(rhs) = r; ,)beK*Iw
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。 8?z7!k]
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Eb.k:8?Tn
1Vi3/JM@
template < typename Tp > #*|Gp_l+%
class constant_t +5xVgIk#
{ "'@>cJ=
const Tp t; QoBM2QYO
public : o-7,P
RmKN
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} *+rWn*L
template < typename T > DV5K)m&G
const Tp & operator ()( const T & r) const D.:6X'hp
{ aEvW<jHh
return t; vDit&Lh{T
} 7AouiL 2-W
} ; *{fL t
JK=0juv<E
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 L,7+26XV"B
下面就可以修改holder的operator=了 79MF;>=tV
E Z+L'
template < typename T > 5N
/NUs
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 2T&n6t$p
{ f:u3fL
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); K?$|Y-_D^M
} j.O+e|kxU
0E^6"nt7N
同时也要修改assignment的operator() 2, R5mL$
1n-+IR"
template < typename T2 > FofeQ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } H:5- S
现在代码看起来就很一致了。 {1Hs5bg@
Q xm:5P
六. 问题2:链式操作 Zv|TvlyT"
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Uw5AHq).
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。 =6H
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。 (@nEe?
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。 5SQqE@g%
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct :JD*uu
Z#znA4;)
template < typename T > T6^H%;G
struct result_1 mK_2VZj&
{ :ND e<6?u
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; \\iX9-aI<
} ; @0[#XA_>
8H@] v@Z2
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: ;t\oM7J|
Je &O
template < typename T > #C#*yE
struct ref Bp9_\4
{ %k=c9ll@:
typedef T & reference; >HL$=J_K?
} ; @CNe)&U
template < typename T > 9kby-A4
struct ref < T &> {\p&?
{ 3!qp+i)?
typedef T & reference; `&w{-om\
} ; U@:h';.
4Gor*{
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ~9ynlVb7)r
:c}"a(|
template < typename T > u6MHdCJ0y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const O]VHX![Y$
{
.u3Z*+
return l(t) = r(t); UB2Ft=
}
H_vGa!_
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。 q. s'z}
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 L&LAh&%{2
dBb
&sA-A
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 P0<)E
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: H{U(Rt]K
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 5[0W+W
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 'izv[{!n{
最后的布局是: /|LQ?n
Add h\lyt(.s
/ \ :D:Y-cG*n<
Divide 5 F XG,DJ:
/ \ =x3T+)qCNX
_1 3 `;HZO8
似乎一切都解决了?不。 {'NXJ!I;t
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。 $i;m9_16
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 TW~%1G_v
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: /H~]5JZ3-E
}F4%5go
template < typename Right > ;|r<mT/,
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const sa
w
Right & rt) const :zp9L/eh
{ &hu3A)%
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); awU&{<,=g
} <TEDqQ
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 9][A1+"
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 d
A>6
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 ',m!L@7M5
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 DDBf89$\
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/(7l[W
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? pF<KhE*V
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: 4L<;z'
}ki6(_
template < class Action > p|n!R $_g\
class picker : public Action TR'<D9kn
{ 5gKXe4}\/|
public : zT+ "Z(oz,
picker( const Action & act) : Action(act) {} <[A;i
// all the operator overloaded
PM^Xh*~
} ; Ti>2N
-GODM128 ^
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 ]FEsN6
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: [vn"r^P
>=K~*$&>
template < typename Right > (Qd@Q,@(s
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 4Ul*`/d
{ -'rb+<v
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); hh8U/dVk*
} v-&@c
F@<^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > "sJ@_lp
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。 3U4h>T@s|
U[G5<&Z^
template < typename T > struct picker_maker Fd/Ra]@\Y
{ 1
EwCF
typedef picker < constant_t < T > > result; jhB+ ]
} ; |\T!,~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > v(`5exWV
{ of/'
9Tj
typedef picker < T > result; chXTFLC~
} ; m+3]RIr&A
o+g\\5s
下面总的结构就有了: i?n#ge
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。 H+npe'm_Z
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。 8V@\$4@b!#
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Lm7fz9F%
至此链式操作完美实现。 :LLz$[c8
'@f#GNRT
C^ZDUj`
七. 问题3 ofuQ`g1hb
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 g/OL^A
i~.9B7hdE
template < typename T1, typename T2 > g BV66L
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 7r$'2">K(
{ <26Jif:
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); q[TW
} 9FmX^t$T
qrY]tb^K
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: d5 U+]g
?o_D#gG*
template < typename T1, typename T2 > ,{sCI/
struct result_2 *+>QKR7
{ ePe/@g1K*
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; "U
iv[8B
} ; \-RVPa8k
kcZz WG|n
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? 5
DvD
这个差事就留给了holder自己。 }+BbwBm&
z?Qt%1q
P*{*^DN
template < int Order > 9+co`t.
class holder; l5l#LsaQb
template <> jfsbvak
class holder < 1 > ,Cj` 0v#
{ R;F z"J
public : at5=Zo[bP
template < typename T > );*#s~R
struct result_1 P: )YKro]
{ 3L-}B#tI
typedef T & result; P{o //M
} ; I]0
D*z
template < typename T1, typename T2 > K5:>
struct result_2 .u&GbM%Ga
{ [TX5O\g![
typedef T1 & result; /PgcW
} ; ^:,I #]
template < typename T > "[wP1n!G
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const "yc@_+"\+
{ qb>mUS
return (T & )r; V.~C.x
} ^3w
>:4m
template < typename T1, typename T2 > |f<-lB[k
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ~ A4_
{ H@BU/{
return (T1 & )r1; o :_'R5
}
d/&~IR
} ; SMbhJ}\O
y<*/\]t9L[
template <> V"Y-|R
class holder < 2 > ^RE("'+
{ 'U'Y[*m@
public : }?=4pGsI
template < typename T > ~{f[X3m^
struct result_1 h . R bdG
{ =aJb}X
typedef T & result; ;8>
TD&]{
} ; "CF{Mu|Q=
template < typename T1, typename T2 > ,-_\Y hY>
struct result_2 /\|Behif
{ l|'{Cb
typedef T2 & result; 1g bqHxWI
} ; -+Ab[
template < typename T > s.KHm
L3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ew\ZF qA;
{ Q*l_QnfG
return (T & )r; +!)v=NY
} GN@(!V#/4
template < typename T1, typename T2 > K*fh`Kz
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const %TA@-tK=
{ j;_
>,\
return (T2 & )r2; x/xd
} 9ZXEy }q57
} ; 3ew`e"s
Z{spo=
[{cMEV&
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> >。 OAd}#R\U
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: (| X?
首先 assignment::operator(int, int)被调用: )|CF)T-
tP]-u3
return l(i, j) = r(i, j); o2r)K AA
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 8@-
UvT&o
'n0u6hCSb
return ( int & )i; ,pMH`
return ( int & )j; dsD!)$
最后执行i = j; c(G;O)ikS
可见,参数被正确的选择了。 Hv.nO-c
ecG,[1];
9|9Hk1
{8Uk]
z 2Rg`1B
八. 中期总结 )TV{n#n
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: R3ru<u>k&
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 sqP (1|9
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 1*ui|fuK
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor <zh N7="
k^v P|*eu
?^z.WQ|f@
E4dN,^_ F!
'+*{u]\
FCMV1,
九. 简化 +4*jO5EZ
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。 #gd`X|<Ch
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 KG8Km
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: >)p8^jX
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 MH=;[ | N
+-*/&|^等 *='J>z.]
2. 返回引用。 %^ z##7^
=,各种复合赋值等 n#lZRwhq
3. 返回固定类型。 ^-GzWT
各种逻辑/比较操作符(返回bool) M5>cYVG
4. 原样返回。 t?<pyw $
operator, 7"0l>0 \
5. 返回解引用的类型。 sGs_w:Hn
operator*(单目) 7.N~e}p8
6. 返回地址。 \OX;ZVb?5
operator&(单目) fNTe_akp
7. 下表访问返回类型。 eJ
O+MurO
operator[] ^CWxYDG*
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 XlGDv*d:#d
operator<<和operator>> haW*W=kv)
eod-N}o
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。 %
A8dO+W
例如针对第一条,我们实现一个policy类: V'jvI
smTPca)7s
template < typename Left > ,U^V]jC
struct value_return d iG kwKj
{ 9C2DW,?
template < typename T > TaI72"8
struct result_1 ir/-zp_
{ 1so9w89
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ql_GN[c/
} ; zEYT,l
m/(f?M l
template < typename T1, typename T2 > r[}5<S Q
struct result_2 Y3RaR
9
{ 8Z:T.Gc
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; z1R_a=7
} ; 7 _*k<W7|
} ; s}5,<|DL
1FfSqd
\sZT[42
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ?1kXV n$
&W@#pG
下面我们来剥离functor中的operator() v62M8r,Y
首先operator里面的代码全是下面的形式: N& 683z
zF-R$_]av
return l(t) op r(t) lk?@ =U~
return l(t1, t2) op r(t1, t2) +i0j3.
return op l(t) B
!}/4"
return op l(t1, t2) ;Or]x?-
return l(t) op S(\<@S&
return l(t1, t2) op > q!:*
return l(t)[r(t)] .Fe_Z)i>h
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] td"D&1eQ@
<