一. 什么是Lambda %60 OS3
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 BrwC9:
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, `;;l {8
qclc--fsE
U"p</Q
&EQhk9j
class filler vb6EO[e%I
{ qVE0[ve
public : '!Hs"{~{
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 4r1\&sI$~
} ; i!?gga
}:Z A)
@>(KEjQTz
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: L4g%o9G
+)j ll#}?
UlE%\L0GD&
=L" 0]4K
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ]zSFX
=~(S
"[|b,fxR
E
s5:S#
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 : OY~Q3
@
?W'p&(;
EE!}$qOR
YzI;)
二. 战前分析 .9qK88fU R
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。 [s{!
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 G:1'}RC :
mUh]`/MK$
Mn.,?IF`K
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); (hzN(Dh
/* --------------------------------------------- */ ump~)?_B
vector < int *> vp( 10 ); KT(Z
#$
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); @yaFN>w
/* --------------------------------------------- */ JF.Lo;
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); c0@8KW[,
/* --------------------------------------------- */ 5G*cAlU
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); } p'ZMj&
/* --------------------------------------------- */ ;hX( /T
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); HB/V4ki
/* --------------------------------------------- */ WVbrbs4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Z .6dL
hi0HEm\
8vY-bm,e
>d 2Fa4u3
看了之后,我们可以思考一些问题: 5~JT*Ny
1._1, _2是什么? H$(bSw$
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。 zN4OrG0
2._1 = 1是在做什么? EiW|+@1
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。 JQ&t"`\k
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。 2d !'9mA
i<m(neX[H
Pd*[i7zhC
三. 动工 I0)`tQ+
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: w
)R5P[b
JbMTULA
$1an#~
_IDZ.\'>$
template < typename T > @p+;iS1}
class assignment %iN>4;T8
{ Z4j6z>q E
T value; ,BU;i%G&s
public : 7~/ cz_
assignment( const T & v) : value(v) {} %z><)7
template < typename T2 > iQwQ5m!d &
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } yGZsNd {a&
} ; OU[<\d
*U?O4E9
NB"S,\M0
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 S\k <
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment e3?=1ZB
:]^e-p!z
~&?bU]F
x *Lt]]A
class holder ff"wg\O4
{ tgK
I
public : m~ tvuz I
template < typename T > SUncQJJ0S*
assignment < T > operator = ( const T & t) const :d36oiHKu
{ 7 F^d-
return assignment < T > (t); 3$$E0`7.
} -4a9 BE".
} ; #WpkL]g2+%
z ^gJy,T
K}VCFV
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: j2Zp#E!
$B+| &]a
static holder _1; *eVq(R9?T
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 'X`Z1L/
yPm2??5MW>
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); /Rp]"S
vt
而不用手动写一个函数对象。 [I $+wWW_
C|(A/b
^.SYAwL
C_.9qo]DT7
四. 问题分析 \oQ]=dDCd%
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 DDg\oGLp
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 *sho/[~_
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ^URCnJ67Se
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 mP(3[a_Q
下面我们可以对这几个问题进行分析。 OZ,kz2SF#
uy'ghF
五. 问题1:一致性 `2~>$Tr
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?| .J"N}
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 3dShznlf_*
fV(3RG
struct holder Lpchla$
{ pJpapA2l*6
// jcH@*c=%e
template < typename T > S;Bk/\2
T & operator ()( const T & r) const $Gn.G_"v
{ e%4?-{(
return (T & )r; TOYK'|lwM
} z3fv}_\z
} ; bf3!|Um
Q M,!-~t
这样的话assignment也必须相应改动: |.IH4
K
)Nv1_en<!
template < typename Left, typename Right > l.[pnL D
class assignment
CI|lJ
{ kmuksT\)a
Left l; "cH RGJG#
Right r; <P9fNBGa
public : Y4T")
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} e_vsiT
template < typename T2 > D7ex{SVA)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } [}X|&`'i
} ; ?mQ^"9^XS
T:|/ux3
同时,holder的operator=也需要改动: DA=U=F
W+nu=iQ!
template < typename T > r );R/)&
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const /Y Kd [RQ
{ 9N]Xa
return assignment < holder, T > ( * this , t); 7*'/E#M
} MfTLa)Rz
#c!:&9oU
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。 Nz{dnV{&x;
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 rCyb3,W
OI R5QH
return l(rhs) = r; ]n ?x tI
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。 R{hX--|j
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: bIKg>U'5d
] m]`J|%i
template < typename Tp > bP,<^zA|X
class constant_t r@r%qkh(.@
{ 0r]n
0?x
const Tp t; 0QQss
public : Zw]`z*,yRA
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} yu?5t?vf
template < typename T > XGlt^<`
const Tp & operator ()( const T & r) const F c[KIG3@
{ $o"nTl
return t; @WJ;T= L
} <QtZ6-;_f
} ;
fF:57*ys
fJ,N.O+9E
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 8$Q`wRt(%
下面就可以修改holder的operator=了 l=^A41L_
vccWe7rh
template < typename T > LyUn!zV$(
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const BEZ~<E&0H
{ \?bV\/GBR
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t));
D+8d^-:
} w$gvgz
R^Rc!G}
同时也要修改assignment的operator() p<R:[rz
fBO/0uW
template < typename T2 > r4.6W[|d
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } T&U}}iWN
现在代码看起来就很一致了。 eK8H5YE
e~h>b.~
六. 问题2:链式操作 owVvbC2<b(
现在让我们来看看如何处理链式操作。
Xo^8o0xi
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。 AXfU$~
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。 8(3(kZx S
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。 iT@`dEZ.
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct >WLPE6E
r)(5,*v
template < typename T > P-m_],
struct result_1 dQut8>0&
{ '1<Z"InU
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; nx9PNl@?V
} ; zVh yAf
_ %s#Cb
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: {%jAp11y+O
9rB3h`AVF
template < typename T > M,Gy.ivz
struct ref VA/2$5Wu
{ 7KT*p&xm
typedef T & reference; On C)f
} ; Pz]WT1J0
template < typename T > yUoR6w
struct ref < T &> ~f QrH%@
{ ,CE/o7.FG
typedef T & reference; x"r0<RK
} ; u ExLj6
T+8Yd(:hX
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ,n|si#
<y 4(!z"
template < typename T > `RTxc
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const tZxx#v`
{ D{9a'0J
return l(t) = r(t); p^l#Wq5
} uH_KOiF
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。 '.}}k!#
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。
w7)pBsI
~Ps *i]n(
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 GT>'|~e
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: J_s`G
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 .=y=Fv6X
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 09Hrn
最后的布局是: D#jwI,n}x
Add = XZU9df
/ \ 3ML][|TR
Divide 5 OjU{r N*
/ \ fif;n[<
_1 3 DR"Y(-xl
似乎一切都解决了?不。 1N5
E
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。 M-WSdG[AJ
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。 ulR yt^bx|
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: .EYL
SX3'|'-
template < typename Right > dT`nR"
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const So5/n7
Right & rt) const J%bNt)K}
{ \%-<O
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y A.&ap
} DJ ru|2
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 B<W}:>3
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。 +'H[4g`
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。 X[z;P!U
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。 ^}j~:EZb
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
jK $KV
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 2OG/0cP
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: Q0*E&;|
iGW(2.Z
template < class Action > g
pciv
class picker : public Action g$(Y\`zw
{ y"?`MzcJ0
public : zD_5TGM=
picker( const Action & act) : Action(act) {} 3}L3n*Ft#.
// all the operator overloaded j/V_h'}
} ; D5zc{) /
92-Xz6Bo9
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。 $W._FAAJ#
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: -e_fn&2,Y
&{)<Q(g
template < typename Right > 1q}32^>+o
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +\dVC,,=^g
{ $G=^cNB|JB
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); C&O8fNB_
} AArLNXzVW
l&& i`
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 3h
bHS~
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 >WHajYO"
v}>g* @
template < typename T > struct picker_maker +=WBH'
{ QW..=}pL
typedef picker < constant_t < T > > result; CKw-HgXG
} ; )\U:e:Z ae
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > }0~$^J
{ /fQcrd7h
typedef picker < T > result;
e]<Syrk
} ; .+7n@Sc
Y XhZWo{B
下面总的结构就有了: 'O%*:'5k
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。 HoBx0N9\2
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。 rpk8
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 St;9&A
至此链式操作完美实现。 M]8>5Zx.
AB=%yM7V*
}#zL)+XI
七. 问题3 WO>A55Xya
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。 RqROl!6
<h(AJX7wsD
template < typename T1, typename T2 > cfmwz~S6i
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const p5In9s
{ BDt$s(
\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 4Q+ ,_iP
} _0[z
xOI
NK-}[!f
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: v9T3=
hyxv+m[
template < typename T1, typename T2 > \ZnA%hC
struct result_2 `=Mk6$%Cs
{ 5|0}bv O
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; n3e,vP? R
} ; /G5KNSi
8] LF{Obz[
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? ~'*23]j
这个差事就留给了holder自己。 U& GPede
W *0!Z:?
tFcQ.1
template < int Order > ( w4XqVT
class holder; m.P
F'_)/
template <> ]n=z(2Z9lD
class holder < 1 > ?`TQ!m6y
{ o.$48h(
public : ~U+<JC Z
template < typename T > h`Jc%6o
struct result_1 <mX5VGY9^
{ J
rK{MhO
typedef T & result; dC<%D'L*
} ; h5{//0 y
template < typename T1, typename T2 > s?<FS@k
struct result_2 58?WO}
{ 28JVW3&)
typedef T1 & result; $7X;FmlG&
} ; *Y1s4FXu2
template < typename T > do`'K3a"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const }51QUFhL0
{ ^uo,LTq+
return (T & )r; padV|hF3(e
} ]:ca=&>
template < typename T1, typename T2 > Fpo}UQQbc
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const x~'_;>]r_
{ u!xgLf'`
return (T1 & )r1; :qS~"@ ?<
} Qc33CA
} ; g=KK
PSK
hW~% :v
template <> /XG7M=A$o
class holder < 2 > Cpzd k~+H
{ E.yFCaL
public : +;H=_~b
template < typename T > ko.%@Y(=
struct result_1 0gyvRM@ x[
{ OL=X&Vaf<
typedef T & result; ; 8VZsh
} ; `?:{aOI
template < typename T1, typename T2 > [/ CB1//Y
struct result_2 !d0$cF):
{ ~#EXb?#uS
typedef T2 & result; gISA13
} ; D _\HX9
template < typename T > SdufI_'B
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const AU*]D@H
{ daY0;,>
return (T & )r; M|y!,/'
} MPp:EH
template < typename T1, typename T2 > 7d{xXJ-
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const I9TNUZq('
{ =PU@'OG
return (T2 & )r2; %to.'R
} 57 Vn-
} ; Jbima>
m:EYOe,w
")boY/ P/w
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> >。 q89yW)XG
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: a"+VP>4
首先 assignment::operator(int, int)被调用: b6 g9!
9~,!+#
return l(i, j) = r(i, j); i(u zb<
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) AED
9vDE
D9(4%^HxV1
return ( int & )i; uPFbKSJj
return ( int & )j; 48gpXcc@|
最后执行i = j; z:n
JN%Qb
可见,参数被正确的选择了。 R]kH$0`
uxrNkZia
T~>&m~} +
U:/_T>f%
v@X[0J_8
八. 中期总结 Mc
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: oOQan
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 r|jBKq~
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 qyIy xJ
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor <^Q`
y
EU5(s*A
$YBH;^#
ieyqp~+|4$
' ]Km%uwL
?s 0")R&
九. 简化 fQU_A
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。 ZDrTPnA[
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ^-}3+YA
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: lZ+1A0e
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ~ "~uXNd
+-*/&|^等 %MfT5*||f
2. 返回引用。 BD ,3JDqT
=,各种复合赋值等 51%<N\>/4
3. 返回固定类型。 D@mqfi(x
各种逻辑/比较操作符(返回bool) m<9W#
4. 原样返回。 ,g)9ZP.F
operator, w68VOymD/
5. 返回解引用的类型。 I>3G"[t
operator*(单目) -}JRsQ+rgM
6. 返回地址。 atFu
KYI
operator&(单目) FLlL0Gu
7. 下表访问返回类型。 P[cGCmM
operator[] YAF0I%PYU
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 qr/N ?,
operator<<和operator>> \AR3DDm
A`1/g{Ha
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。 \?\q0o<V$
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ffQ&1T<
HLt;1:b
template < typename Left > xeHqC9Ou
struct value_return
s@3<]
{ j%&^qD,
template < typename T > )&elr,b/y
struct result_1 Boa?Ghg
{ pQxi0/d p
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; X/wqfP
} ; I=`efc]T
QeAkuqT'[
template < typename T1, typename T2 > 3412znM&
struct result_2 "V_PWEi
{ _bq2h%G=8
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; Eh;~y*k\
} ; |c>A3 P$=B
} ; )6zwprH!
HaamLu
65A>p:OO
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ~&IL>2-B
E~!FEl;
下面我们来剥离functor中的operator() K>$od^f%c
首先operator里面的代码全是下面的形式: `Tf<w+H
D&)gcO`\
return l(t) op r(t) ^coJ"[D
return l(t1, t2) op r(t1, t2) iNs
return op l(t) V/!8q`lYNJ
return op l(t1, t2) ]pA}h.R#-
return l(t) op <<![3&p#
return l(t1, t2) op Ts:pk
return l(t)[r(t)] WS0RvBvb
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] Wm ?RB0
BPKeG0F7
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: U`"nX)$
单目: return f(l(t), r(t)); ,Gd8 <