一. 什么是Lambda gRBSt
M&hU
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 q`XW5VV{K
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, ;W]D ~X&
&!ED# gs
p6`Pp"J_tr
z< z*Wz
class filler 0y)}.'
{ o4$Ott%Wm
public : gfi
AK%
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} _eGT2,D5r
} ; R)ERxz#
w{pUUo:<
<lUOJV{&\
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: _`H.h6h
K&*iw`
<"W?<VjO
[+;qWfs B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); {@?G 9UypA
Ck: 9gn
Rj^7#,993
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 / /'Tck
:z]}ZZ
{jjSJIV1
MhNFW'_
二. 战前分析 j`O7=-
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 }.p<wCPy6
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 + :V rip
/D<"wF }@J
_5mc('
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); P}0*{%jB
/* --------------------------------------------- */ *l{yW"Su
vector < int *> vp( 10 ); g?B3!,!9
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); MU'@2c
/* --------------------------------------------- */ zF8'i=b&
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); PocYFhWQ`
/* --------------------------------------------- */ []|;qHhC~(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); syv$XeG=}
/* --------------------------------------------- */ x[QZ@rGIW
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); \i!Son.<
/* --------------------------------------------- */ ,|+Gls
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); vv6?V#{
j Fma|y
EM@;3.IO
n"6;\
看了之后,我们可以思考一些问题: 2#3^skj
1._1, _2是什么? v!H:^!z
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。 #Z\O}<
2._1 = 1是在做什么? FXV`9uq}Z
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。 $6T3y8
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。 Zk&h:c
BYi)j6"
UNDi_6Dy
三. 动工 XF}rd.K:
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: q_ %cbAcD
$+cAg>
c8{]]
YD\]{,F|
template < typename T > pQMtj0(y
class assignment Q/ZkW
{ vfcb:x
T value; jij<yM8$g
public : DdSSd@,x*
assignment( const T & v) : value(v) {} |9Yi7.
template < typename T2 >
F[saP0
*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } n,j$D62[
} ; /4$4h;_8
M\oTZ@
#D*r]M
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 jTb-;4N'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment g%xGOA
)4R:)-"f
fr[3:2g-_
r[_4Lo@G
class holder R^*K6Ad
{ dRI^@n
public : -h#mn2U~3r
template < typename T > zP!J/}z
assignment < T > operator = ( const T & t) const >O7~h[FN
{ kS :\Oz\
return assignment < T > (t); JN'cXZJPn
} G^wtE90
} ; w~Ff%p@9
5Y\!pf7SQ|
V-!"%fO.s
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Kmz7c|
DNkWOY#{
static holder _1; uS+k^
#
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 J:j<"uPm
T[?6[,.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); PUdM[-zjh
而不用手动写一个函数对象。 M2@b1;
-x`G2i
M+`Hg_#Q
R}:KE&tq
四. 问题分析 !}KqB8;
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ~u87H?
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 [zkikZy
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 -n5
B)uw=
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 }-@4vl
x$
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Z5(enTy-
Ad$n4Ze
五. 问题1:一致性 is?2DcSl5
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| =Z G:x<Hg
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 S/ [E8T"
2;`=P5V
struct holder #~L h#
{
9\;|x
// 4~z?"
template < typename T > ?BA^YF
T & operator ()( const T & r) const Pw0Ci
{ ?=;qK{)37
return (T & )r; ^Q+i=y{W
} i/So6jW
} ; ]@^coj[
Xz 4 x
这样的话assignment也必须相应改动: Yw;D:Y(
5 BtX63
template < typename Left, typename Right > [5$w=u"j
class assignment S8,Z;y
{ sJ
z@7.
Left l; LjB;;&VCn
Right r; 8Q{9>^
public : l8h&|RY[
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} >q~l21dUi
template < typename T2 > ,Gk}"w
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } mTNVU@TY=
} ; 2[fN\e{
MZJ]Dwt]
同时,holder的operator=也需要改动: HO)/dZNU
p&-'|'![l
template < typename T > WQNE2Q
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const f:B>zp;N
{ ;Lm=dd@S:
return assignment < holder, T > ( * this , t); '1^B+m
} X^9d/}uTa
fq[;%cr4
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。 ;a{ :%t
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。
Ez~'^s@
Z?Hs@j
return l(rhs) = r; dsx]/49<
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。 `#-P[q<v-
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Zk8|K'oHx
6]zd.W
template < typename Tp > C[!MS5
class constant_t wCf~O'XLw
{ {O<l[|Ip
const Tp t; r7]zQIE
public : c#IYFTz
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} }N0Qm[R
template < typename T > PQKaqv}N
const Tp & operator ()( const T & r) const .`<@m]m-
{ SUKxkc(
return t; )Or.;
} :'F}Dy
} ; 38DT2<qC
!+)AeDc:j
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 z@Q@^
&0Mr
下面就可以修改holder的operator=了 5 <wnva
,j:|w+l
template < typename T > +ISz?~8
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const h7*W*Bd
{ `Q3s4VEC
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); |tR
OL9b
} v:Tzv^
r_e7a6
同时也要修改assignment的operator() =0;}K@(J
4'4\,o
template < typename T2 > iy.2A!f^.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } I+>%uShm
现在代码看起来就很一致了。 $N:Vo(*
N,2s?Y_!
六. 问题2:链式操作 yme^b
;a
现在让我们来看看如何处理链式操作。 {!|}=45Z
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 DrnJ;Hi"
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 m-^8W[r+_
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 i
wxVl)QL
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct )[mwP.T=
5zFR7/p{
template < typename T > \I"Z2N>^z
struct result_1 ]?x:
Qm'yo
{ <<=WY_m}
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; *BuUHjTv
} ; @/ZF` :
g;$Xq)Dd
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: ;S0Kh"A
ae:zWk'!
template < typename T > }ENR{vz$A
struct ref 8Og_W8
{ P =3RLL<l
typedef T & reference; W^3uEm&l!)
} ; 322jR4QGr
template < typename T > C2Xd?d
struct ref < T &> |-V&O=!^+
{ 1]IQg;q
typedef T & reference; l]~n3IK"
} ; `wF8k{Pb
WD Fjp
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: FnJ?C&xK
dq[Mj5eC
template < typename T > V=fEPM
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const <mi-}s
{ S=_vv)6+4
return l(t) = r(t); 2z\zh[(w
} \U|ZR
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。 HB
Iip?
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Og=*R6i
z1^gDjkZ
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 8
k3S
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: btdb%Q*
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 K\XH4kic
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 s
w39\urf
最后的布局是: EkGQ(fZ1|
Add F(na{<g};
/ \ h?bb/T+'
Divide 5 +w=AJdc
/ \ o9cM{ya/>
_1 3 5M9 I,
似乎一切都解决了?不。 &WNf
M+
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。 JaB<EL-9r2
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。 Gmf B
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: [<'-yQ{l\
Us+pc^A
template < typename Right > J'N!Omz
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const sdQkT# %y
Right & rt) const ]4;PR("aU
{ j"AU z)x
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); r}uz7}z %"
} z25m_[p2
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 wywQ<n
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。 ^bEc6`eE
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。 [s&$l G!
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。 t|~YEQ
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。 o.q/O)'V u
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 /@z4#
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: |&Ym@Jyj
6252N]*
template < class Action > wn)JXR
class picker : public Action TEDAb>
{ rj6#1kt
public : $H+VA@_
picker( const Action & act) : Action(act) {} e["2QIOe
// all the operator overloaded LBF 1;zjK
} ; =m5SK5vLKT
gn3jy^5
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。 Nbp!teH6
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: ?B:a|0pf
X^WrccNX
template < typename Right > JPGzrEaZ
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 7"8hC
{ +[5.WC7J
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Qx [t/~
} qIld;v8w"g
-WYAN:s
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > P;k0W>~k
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。 B/`
!K
i86>]
template < typename T > struct picker_maker E*jP8 7g
{ ?s:d[To6
typedef picker < constant_t < T > > result; 44-R!
} ; V*W;OiE_3
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 3> Y6)
{ gks{\ H]
typedef picker < T > result; CZ nOui
} ; $z+8<?YD
b, :QT~g=
下面总的结构就有了: `F/Tv 5@L
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。 f%V4pzOc"
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。 }!6\|;Qsz,
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ?wO-cnl
至此链式操作完美实现。 y.[Mnj
e^O(e
kYLM&&h
七. 问题3 8>7&E-
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。 "_`F\DGAZu
$^@ )
template < typename T1, typename T2 > wQRZ"ri,
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ^$t7+g
{ 6oBfB8]:d
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ?:w1je7
} E8-P"`Qba
8jyG"%WO
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: Sv &[f}S
J9=m]R8T
template < typename T1, typename T2 > 3;a<_cE*@
struct result_2 }Q";aU0^
{ zL\OB?)5J
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; *6} N =Z
} ; hcyM6:}
/c,(8{(O
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? -=(!g&0
这个差事就留给了holder自己。 Dq)j:f#QM
z`\F@pX%wC
e6!LS x}y
template < int Order > tz s</2
G,
class holder; yV"ZRrjO'Z
template <> f4BnX(1u
class holder < 1 > "I
Ql Vi
{ 'D@-
public : O)"gS!,
template < typename T > 9D4NX<_
struct result_1 J&T.(
{ ca>Z7qT!
typedef T & result; 0X^Ke(/89
} ; ;g~TWy^o
template < typename T1, typename T2 > /r=tI)'$
struct result_2 ~{Mn{
{ n(el]_d
typedef T1 & result; pZeE61c/
} ; k68F-e[i^
template < typename T > .B\ 5OI,]
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const FHC\?Cg
{ LGl2$#x
return (T & )r; (<)]sp2
} AhNq/?Q Q~
template < typename T1, typename T2 > xe*aC
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const AW,53\ 0
{ 5:kH;/U
return (T1 & )r1; 0$-xw
} HvVts\f
} ; Lliqj1&
mL4] l(U
template <> A$w4PVS
class holder < 2 > !U5Wr+83
{ ,%)6jYHR w
public : T,VY.ep/
template < typename T > &cu lbcz
struct result_1 )4&cph';
{ -UD\;D?$
typedef T & result; qv@$ZLR
} ; ;vIrGZV<
template < typename T1, typename T2 > Y_QH&GZ
struct result_2 [3!~PR]
{ d.P\fPSD
typedef T2 & result; u07pq4Ly
} ; WoBo9aR
template < typename T > =X.9,$Y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const M6}3wM*4
{ rW0FA
return (T & )r; 'UYR5Y>
} kbMYMx.[
template < typename T1, typename T2 > DrO2 y
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ?! `=X>5
{ s%W<dDINl
return (T2 & )r2; L\#<JxY$p
} W]5USFan
} ; P<f5*L#HD
6C+"`(u%V
)lZp9O
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ?G-e](]^<
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: _C`K*u
6Z<
首先 assignment::operator(int, int)被调用: sUU{fNC6|
x(eb5YS
return l(i, j) = r(i, j); ruazOmnn~
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) mzf+Cu:`v
FG)$y[*
return ( int & )i; l@ap]R
return ( int & )j; oD$J0{K6
最后执行i = j; >`%'4<I
可见,参数被正确的选择了。 J;f!!<l\
7IjQi=#:
)-`;1ca)s
>J>b>SU=-
yn/rW$
八. 中期总结 %,k][V
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: ^)W[l!!<)
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ()3O=!
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 iX4Iu3
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor z~>pVs
|K|h+fgG6*
g'|MA~4yB
3dRr/Ilc
cJL'$`gWf
I;1lX
L
九. 简化 ?A )hN8
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。 &[;HYgp
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 6A=8+R'`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: 1M}&Z H
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 :G<E^<M\)^
+-*/&|^等 !1G ."fo
2. 返回引用。 S!sqbLrBn
=,各种复合赋值等 W<