一. 什么是Lambda [NE!
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 _b8KK4UR
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, 2W0nA t
hbYstK;]Z
Mo@{1K/9
hYyIC:PXR
class filler K3vZ42n
{ [GbrKq(
public : 8\;, d
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} *Z"cXg^ti
} ; 274j7Y'
=ttD5p
Re~6'
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: dlvU=^G#G
r3x;lICx-
]+`K\G ^X
ds`YVXKH
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); FrMXf,}
T x
Mh_
9Avj\G
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Z5'^Hj1,
(!@gm)#h
^}2!fRKAmo
T7i>aM$+
二. 战前分析 "3jTU
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Ngx2N<$<*g
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 qy?$t:*pp
q/:]+
rbOJ;CK
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); j8M t"B
/* --------------------------------------------- */ zU[o_[+7^
vector < int *> vp( 10 ); dlyGgaV*X
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); kT
/* --------------------------------------------- */ rZ,3:x-:
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Uy=yA
/* --------------------------------------------- */ >7@,,~3
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); YCP D+
/* --------------------------------------------- */ ta.Lq8/
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); KiG19R$
/* --------------------------------------------- */ CV
HKP[-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); i<m)
s$u
dSjO12b
7_3 6xpw
gHh(QRA
看了之后,我们可以思考一些问题: RCa1S^.
1._1, _2是什么? e\ (X:T
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 kt`ln
2._1 = 1是在做什么? M%54FsV
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 W`LG.`JW
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 [pms>TQ2
s8A"x`5(
^%%Rf
三. 动工 gjD|f2*x
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: (8~mf$ zx,
vC]r1q.(
msw'n
;\pINtl9<
template < typename T > >l-u{([B
class assignment IA}vN3
{ uN?Lz1W\;
T value; @rqmDpU
public : #Qg)4[pMJ
assignment( const T & v) : value(v) {} }x$@j
template < typename T2 > dR i6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } xxzUey
} ; 7gLk~*
vC&0UNe$
1r4NP
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 [x?9<#T
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ":e6s co
'/D2d
[e\IHakj
5WHqD!7u
class holder ~9@527m<',
{ x_8sV?F
public : \aof
template < typename T > +(`D'5EB(
assignment < T > operator = ( const T & t) const s`Z.H5V>\
{ '% _K"rb
return assignment < T > (t); `"'u
mIz
} QgH{J80
} ; 1Cc91
9pi{)PDJ
{B#w9>'b
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: =MJRQV67
k5%)
static holder _1; S_*Gv O
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 rpEIDhHv
2T%sHp~qt
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); e6J>qwD?
而不用手动写一个函数对象。 kDJqT
|61ns6i!
vx6lud0k}
nIlx?(=pu
四. 问题分析 eo;MFd%;
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。 AD!w:jT9
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。 f"\klfrRI_
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 #v$wjqK5
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 82)=#ye_P
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ]ZR`
6|"VO
c#u_%*
五. 问题1:一致性 B(FM~TVZ
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?| <7T}b95
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;9#W#/B
v}5YUM0H `
struct holder m' j1
{ g"!cO^GkT
// }/tf^@
template < typename T > FwKY;^`!d
T & operator ()( const T & r) const J7dHD(R8
{ 1bz^$2/k
return (T & )r; '8R5Tl
} $B9?>a|{A
} ; FP y}Wc*UA
T.QJ#vKO0
这样的话assignment也必须相应改动: v0!(&g3Sd
6o]{< T/'
template < typename Left, typename Right > li{<F{7
class assignment sAjUX.c
{ ze
LIOw
Left l; 7On.y*
Right r; RV]QVA*i
public : W4#DeT
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} R:'&>.AUw
template < typename T2 > 1NTx?JJfW
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } wmMn1q0F
} ; ,'<NyA><
V3|"
v4
同时,holder的operator=也需要改动: EKw)\T1
I"8Z'<|/\q
template < typename T >
DHhty qm
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const >pol'=
{ +?Q HSIQo
return assignment < holder, T > ( * this , t); a~!7A
ZT-O
} /r&4< @
'UGgY3
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 1n*"C!q
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 c8_,S[W
A;^{%S
return l(rhs) = r; q+;lxR5D
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 3fE0cVG*
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 1?"Zrd
gtY7N>e
template < typename Tp > "}[ ]R
class constant_t OB+ cE4$
{ kA2)T,s74
const Tp t; HFYe@ 2r
public : ljg6uz1v%
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} `USze0"t0:
template < typename T > Q2m 5&yy@s
const Tp & operator ()( const T & r) const .G<Or`K^i
{ l;h -`( 11
return t; \f]w'qiW5
} nkN2Bqt$
} ; C(KV5c
D51O/.:U2
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 <8h3)$
下面就可以修改holder的operator=了 XCez5Q1
|llmq'Q
template < typename T > 8H3O6ro
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const hO$29_^"
{ ,d
HAD
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); v9gaRqi8
} &u) qw}
=*UVe%N4
同时也要修改assignment的operator() k<o<!
M%!j\}2A
template < typename T2 > ~X;sa,)L1+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } -l"8L;`
现在代码看起来就很一致了。 xi.QHKBZaH
2@&"*1(Xu
六. 问题2:链式操作 0'zjPE#
现在让我们来看看如何处理链式操作。 sI#h&V,9
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ?Qpi(Czbpq
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 %yR80mn8
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 @ L/i
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct -H5-6w$
o
7V&HJ[
template < typename T > 5["n] i
struct result_1 Z]OX6G
{ 0h('@Hb.K#
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; lZ,$lZg9Z
} ; y7z ,I
MGo`j:0
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: %7Gq#rq
n*~#]%4
template < typename T > UyMlk
struct ref '?$<k@mJW
{ I
wu^@
typedef T & reference; wA87|YK8*
} ; K=P LOC5
template < typename T > @d^MaXp_P
struct ref < T &> H_l>L9/\
{ B+'w'e$6
typedef T & reference; 5YiBPB")
} ; |A H@W#7j
?xE'i[F @
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Gl T/JZ9
S2=x,c$
template < typename T > a7]Z_Gk
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const hg `N`O
{ kPnuU!
return l(t) = r(t); ]/mRMm9"3h
} 6x@]b>W
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。 c[?&;# feV
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 1fh6A`c
u/`x@u
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 !:D,|k\m
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 1n $
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 9H%ixBnM
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 .n}k,da@(
最后的布局是: I=8MLv
Add l-'\E6grdH
/ \ t\ 9Y)d
Divide 5 }sfvzw_
/ \ M
!rw!,g
_1 3 gf,[GbZ
似乎一切都解决了?不。 (8GA;:G7G
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。 d5=yAn-+=
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。 6 c-9[-Px
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: *x. gPG
v;"
pc)i
template < typename Right > c{/KkmI
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;:Y/"5h
Right & rt) const k%LsjN.S
{ NB&zBJ#
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); CyJZip
} T"Nnl(cO_
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 xQzXl
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。 JaJyH%+$!
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 &([yI>%
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 35SL*zS@-
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 'G3|PA7v
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? X'cm0}2
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: p?+;[!:
}An;)!>(nF
template < class Action > 0h"uJco,
class picker : public Action PW-sF
{ M3q7{w*bM
public : 9Cw !<
picker( const Action & act) : Action(act) {} v/G^yZa
// all the operator overloaded ?? Dv\yLZI
} ; *18J$
8j@ADfZ9
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。 mp0!S
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: HK.Si]:
{?uswbk.
template < typename Right > ^}hSsE
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const `)1qq @
{ Dzw>[
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ?)"v~vs
} JU-eoB}m
+hMF\@
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > NJ!}(=1|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。 D+Z,;XZ
Um
I,?p
template < typename T > struct picker_maker ; DI"9
{ g_MxG!+(V
typedef picker < constant_t < T > > result; wafws*b%
} ; `>{S?t<
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > yTU'voE.|
{ wW'.bqA
typedef picker < T > result; -.7UpDg~
} ; :N:e3$c
BKW%/y"
下面总的结构就有了: S L~5[f
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 8)&J oPN
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 !Y]%U @4}
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ._}Dqg$
至此链式操作完美实现。 v7D3aWoe
KKJ a?e`C
6NzS <
七. 问题3 #4?:4Im#
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。 &}lRij&`
N'0fB`:kz
template < typename T1, typename T2 >
8B7,qxZ
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const V4x6,*)e
{ *|/kKvN
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); x!9bvQT
} ut9R]01:
Yk#$-"c/a
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: l)91v"vJ
VV=6v;u`
template < typename T1, typename T2 > 8'mm<BV;sT
struct result_2
;5}y7#4C
{ R~XNF/QMl
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 5?gZw;yiv%
} ; ~2?UEv6
'5SO3/{b
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? %Z#[{yuFs
这个差事就留给了holder自己。 D$bJ s O
<e' l"3+9(
SrSm%Dv
template < int Order > yg@}j
class holder; %Wb$qpa
template <> / ,
.rUn1
class holder < 1 > x\6 i (k-
{ ^VlPnx8y=
public : ("j*!Dsd
template < typename T > <=!|U0YV
struct result_1 #Xd#Ncj
{ Q02:qn?T
typedef T & result; PhC{Gg
} ; 82Nw6om6i
template < typename T1, typename T2 > 08E ,U
struct result_2 5%(xZ
6
{ {c:ef@'U
typedef T1 & result; h5m6 )0"
} ; wi-{&
template < typename T > qt#4i.Iu+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 2HJGp+H
{ "0l7%@z*)q
return (T & )r; 7)+%;|~
} >R8eAR$N
template < typename T1, typename T2 > z`rW2UO#a`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const .(8eWc YK
{ W/I D8+:i
return (T1 & )r1; lIL{*q(
} ,V:RE y
} ; TGQDt|+Z
;Ajy54}7
template <> N&+DhKw
class holder < 2 > mnWbV\ VY
{ W/|C
public : @V#
wYt
template < typename T > 9]TvLh3
struct result_1 "t)|N
dZm
{ ;X2 (G
typedef T & result; J*CfG;Y:
} ; 5mYI5~
p
template < typename T1, typename T2 > wa4(tM2
struct result_2 Qz?r4kR
{ 4 '-GcH
typedef T2 & result; VNLggeX'U
} ; n`)wD~mk
template < typename T > Zr@G
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const PyfOBse}r
{ `` mi9E
return (T & )r; t#[u
X?
} z;EnAy {9
template < typename T1, typename T2 > l<mEGKB#
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const E$84c+
{ /!Kl
return (T2 & )r2; ZIrJ"*QO=
} A?sU[b6_
} ; #ZRplA~C7]
-"e$ VB
5Pl~du
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> >。 O6pL )6d
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: nob^
I5?
首先 assignment::operator(int, int)被调用: [,fd Nxc8
&$</|F)y
return l(i, j) = r(i, j); 5U/1Z{
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) f~D>
*<L4-
NTtRz(
return ( int & )i; :+>:>$ao
return ( int & )j;
S*1Km&
最后执行i = j; 2x*C1
可见,参数被正确的选择了。 MO$dim>
r?= 7#/]
ly]n2RK
~|~j01#
8oj-5|ct
八. 中期总结 '{:Yg3K
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: k99ANW
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Uwqm?]
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 a/wkc*}}/
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor \o j#*aL^
(g@e=m7Q
zz4A,XrD
rn?:utP
}[<eg>9#
VoJelyzh
九. 简化 <IBzh_
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。 Q`}n;DV
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 QAy9RQ0
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: ZkJYPXdn?
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 L.xzI-I@D
+-*/&|^等 SAEr $F^
2. 返回引用。 ,e
~@
=,各种复合赋值等 yv<