一. 什么是Lambda <=q}
Nd\
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 G21o@38e
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, Q6@<7E]y
^"/^)Lb!@M
&N|$G8\CY
Iry$z^
class filler 9B: 3Ha=
{ DZ8|20b
public : `
R6`"hx$
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} \2i7\U
} ; #&&T1;z"#
_>;Wz7
!Lf<hS^
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: V)`2Kw
IY`p7 )#i
pN%&`]Wev
N4!`iS Y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); &v{Ehkr*
zH8E,)
fd\RS1[
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ):D"LC
,^#Jw`w^
y/lF1{}5
*gbK
:*_J
二. 战前分析 \c=I!<9
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。 {*ak>Wud
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 $cCC
1=dW
V#t_gS
T #\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); "ZuuSi
/* --------------------------------------------- */ &XP(D5lf`B
vector < int *> vp( 10 ); Bh>L"'.2
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); %@/^UE:
/* --------------------------------------------- */ E7fx4kV
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); eU?hin@X
/* --------------------------------------------- */ !'7fOP-J]
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); #%0V`BS7n
/* --------------------------------------------- */ ~C.*Vc?|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 0+1wi4wy/
/* --------------------------------------------- */ 1uw#;3<L
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); E9HMhUe
> VG
H",B[
YK
_'u]{X\k{J
看了之后,我们可以思考一些问题: EdJL&*
1._1, _2是什么? )D)5
`n)
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。 ^QB[;g.O
2._1 = 1是在做什么? D6sw"V#
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。 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。 I2ek`t]
hvd}l8
Y::0v@&(
三. 动工 lfGyK4:
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: C$3*[
T(4d5 fY
]T4/dk&|o^
kIrrbD
template < typename T > mo0\t#jA
class assignment o\AnM5
{ $`=p]
T value; f-=\qSo
public : :$ 5A3i
assignment( const T & v) : value(v) {} gg;r;3u
template < typename T2 > E h%61/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 5jdZC(q5a
} ; qtGJJ#^,
.1x04Np!
] $ew 5%
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 [uq>b|`RG
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment pMc6p0
fCl}eXg6w
]Z JoC!u
DHidI\*gT
class holder (JhX:1
{ N0U/u'J!g
public : X'9.fKp
template < typename T > X|M!Nt0'
assignment < T > operator = ( const T & t) const E-MPFL
{ +jN}d=N-
return assignment < T > (t); !XA3G`}p6s
} 7p&jSOY
} ; XX;4A
Gn]36~)*H
.p`4>XA
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: g8),$:Uw
)^h6'h`
static holder _1; cH]tZ$E`
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 dn6B43w
KWwtL"3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); W+XWS,(
而不用手动写一个函数对象。 xS18t="
3:%k
pnO
j jpYg
*OVB;]D3+
四. 问题分析 6 Z/`p~e
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ;`9f<d#\
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 1C[9}}
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 y!e]bvN
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 }fpya2Xt
下面我们可以对这几个问题进行分析。 fGgt[f[
;?6vKpj;
五. 问题1:一致性 A=CeeC]}
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| L\yVE
J9x
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 y>{:[L9*
ZTC>Ufu2!
struct holder Vs>Pv$kW
{ w7nt $L5
// <?jdNM
template < typename T > yu?5t?vf
T & operator ()( const T & r) const ~m%[d.
}e
{ >&L|oq7$
return (T & )r; Iw1Y?Qia
} x^eu[olN
} ; l }{{7~C`
BT_]=\zi
这样的话assignment也必须相应改动: ]]xKc5CT
Ku;fZN[g
template < typename Left, typename Right > h@)U,&
class assignment KuNLu31%
{ WSThhI
Left l; +,Dc0VC?
Right r; G#iQX`
public : _iwG'a[`
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 4"@<bKx
template < typename T2 > aCQtE,.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } NgNGq\!
} ; Hg+<GML
MsB>3
同时,holder的operator=也需要改动: Nk~}aj
Wj{lb_Rj
template < typename T > UuG%5 ZC
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const F[qXIL)
{ t2&kGf"
return assignment < holder, T > ( * this , t); -K"'F`;W
} }v1wpv/b(
>DL
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。 pjl%Jm
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 4Z)4WGp!
N'^>pSc4W|
return l(rhs) = r; :}Jx
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。 VJ*1g+c
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: |5@Ra@0
lED!}h'4
template < typename Tp > M8^ID #
class constant_t 3CUQQ_
{ I-v}
DuM
const Tp t; 3F9V,zWtTi
public : ~W'DEpq_
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} P\7DA4]
template < typename T > 5f0M{J,KC
const Tp & operator ()( const T & r) const ~z[`G#dU
{ /i+z#q5'
return t; Q @}$b(b
} 0'q4=!l
} ; $CcjuPsK
%wD#[<BGn>
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 yCX5
5:
下面就可以修改holder的operator=了
l\U
Q2i
37bMe@W
template < typename T > Iil2R}1
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const WR+j?Fcf
{ !0
7jr%-~
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); d[9,J?'OQ
} &lc@]y8
mY|c7}>V;
同时也要修改assignment的operator() ~Ps *i]n(
zI88IM7/
template < typename T2 > !E7gIqo
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } l9p
6I
现在代码看起来就很一致了。 o<g?*"TRh
/%$Zm^8c
六. 问题2:链式操作 LUbhTc
现在让我们来看看如何处理链式操作。 iUKjCq02
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。 U#<d",I
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。 .[={Yx0!I
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。 Po>6I0y
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct SA,~q&
t@KTiJI
]
template < typename T > q|5WHB
struct result_1 a=S &r1s>
{ Z'o0::k
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 31n"w;
} ; vE ]ge
2:LUB)&i
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: >}k*!J|
!&)X5oJ
template < typename T > " <bjS
struct ref ]+lT*6P*
{ (6%T~|a
typedef T & reference; 3j#VKj+Uc
} ; H4i}gdR
template < typename T > N$=YL
@m8
struct ref < T &> ,@Csa#
{ ;W0J
typedef T & reference; 0 '&C5v'
} ; g%2G=gR$?z
'afW'w@
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: m:_#kfC&K"
v[CR$@Y
template < typename T > G<Z}G8FW^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const lL}6IZ5sb
{ jAQ{H
return l(t) = r(t); zK0M WyXO
} %PW-E($o<
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。 + V=<vT
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 d`\SX(C
U$:^^Zt`B
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 [*%lm9 x
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: l|g*E.:4
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 '!>9j,BJ
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 <I,4Kc!
最后的布局是: He_O+[sc
Add H UJqB0D
?
/ \ "jZZ>\
Divide 5 a-5UG#o
/ \ at>_EiS
_1 3 T*p7[}#
似乎一切都解决了?不。 _ep&`K
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 lw=kTYbq
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 LcKc#)'EE
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: g}9,U&$]y
lyL6w1
template < typename Right > 6O4*OR<&
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const iBE|6+g~Cj
Right & rt) const 4DIU7#GG
{ 'm0WPS/6E
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); t/i*.>7
} ?!ap@)9
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Ust +g4
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。 :GvC#2p
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。 U<6)CW1;
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。 GzEw~JAs
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。 c<13 r=+
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? kn#?+Q
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: 9WHE4'Sa
^%oH LsY9
template < class Action > h(WlJCln
class picker : public Action <n_?$ TJ
{ VnuG^)S
public : %+r(*Q+0$f
picker( const Action & act) : Action(act) {} ^;II@n
i
// all the operator overloaded "t2T*'j{
} ; zkt~[-jm}
CW`^fI9H
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。
Zl_sbIY
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: i7RK*{
R0M>'V?e
template < typename Right > ^|/<e?~I
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const U" @5R[=F-
{ jS,Pu%fR
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); c[J 2;"SP
} fwppqIM
CW;zviH5
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > U/c+j{=~
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 X8}r= K~
l(Y32]Z
template < typename T > struct picker_maker c |%5SA
{ 2tU3p<[
typedef picker < constant_t < T > > result; S5|7D[*
} ; :F d1k
Jm
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > TT/=0^"
{ 5REH`-
typedef picker < T > result; "'BDVxp'w
} ; r6j[C"@
,WdSJ BK'a
下面总的结构就有了: +s}!+I8P
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 D[W`
q#W
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 JKKp5~_~
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 \Vv)(/q {
至此链式操作完美实现。 H:b"Vd"x9
M_O$]^I3w
3SM'vV0[
七. 问题3 A._CCou
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。 xK8m\=#
NO/$}vw
template < typename T1, typename T2 > 52^3N>X4X
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const N+V#=Uy
{ Ob%iZ.D|3<
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); [voc_o7AI
} S|d /?}C|e
g=KK
PSK
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: hW~% :v
^PdD-tY<
template < typename T1, typename T2 > "P.sKhuo
struct result_2 [6@bsXiw
{ Sw$&E
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; [1~3\-Y
} ; %B&O+~
4FnePi~i
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? DKo6lP`
这个差事就留给了holder自己。 qV=O;
H94_a e
OL=X&Vaf<
template < int Order > 4JBfA,
class holder; oe6Ex5h
template <> /&?ei*z
class holder < 1 > va~:Ivl-)
{ 7|Vpk&.>
public : @"cnPLh&
template < typename T > Pf8_6 z_
struct result_1 [:,|g;=Y}
{ 0?R$>=u
typedef T & result; HJr*\%D}1
} ; WKr4S<B8mr
template < typename T1, typename T2 > L9[m/(:y
struct result_2 ^`-Hg= d
{ %jUZc:06
typedef T1 & result; E.'6p \
} ; .K940& Ui
template < typename T > qoan<z7
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const `U?S 9m
{ ^=I[uX-3ue
return (T & )r; r?`nc6$0|
} 7|Qb}[s
template < typename T1, typename T2 > v&sp;%I6=
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const cLp9|y0r
{ WnQ'I=E#~
return (T1 & )r1; AzGbvBI&V
} rI)&.5^
} ; hAi'|;g
)W @
template <> L7II>^"B
class holder < 2 > ^wIP`dn
{ q9(O=7O]-
public : HDo=W qG
template < typename T > _#<l -R`
struct result_1 Q<osYO{l
{ <!u(_Bxw/
typedef T & result; ^[HX#JJ~
} ; |bRi bB
template < typename T1, typename T2 > ZZL%5{w_
struct result_2 .GnoK?
{ 3,+UsB%
typedef T2 & result; RXPl~]k#i
} ; ;?o"{mbb
template < typename T > c1]\.s
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const IxP$lx
{ 'u[cT$
return (T & )r; XF4NRs
} RvW>kATb_F
template < typename T1, typename T2 > I7ySm12}
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Erl@]P4
{ or`"{wop
return (T2 & )r2; 7
dG_E]&
} F,5}3$
} ; yErvgf
'bef3P9`
.|ZnU]~T
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> >。 6Hpj&Qm
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: . Vq_O
u
首先 assignment::operator(int, int)被调用: $L"-JNS
{*|$@%y!
return l(i, j) = r(i, j); Z=?qf$.}
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) avv/mEf-f
/3vj`#jD
return ( int & )i; 4p&SlJ
return ( int & )j; nYY' hjZ
最后执行i = j; MU_
>+Wnf
可见,参数被正确的选择了。 b~G|Bhxa
BgG+
HQ|{!P\/?U
LZ9IE>sj
6~+?DIc
八. 中期总结 9;c]_zt
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: -E!V;Tgc%U
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 h9{'w
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 rNHV
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor |z%*}DPrpa
w<4){.dA
"Zicac@N
hmd, g>J:<
T\HP5&
_nnl+S>K
九. 简化 \RP=Gf
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Neb%D8/Kn
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 hta$k%2
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: +hvVoBCM*
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ?9H.JR2s%
+-*/&|^等 8<ri"m,
2. 返回引用。 Ib4 8`
=,各种复合赋值等 $VJ=A<
3. 返回固定类型。 >^Z!
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ph1veD<ZZ
4. 原样返回。 ? Kn~fs8
operator, k}Vu!+c z
5. 返回解引用的类型。 4a~9?}V:
operator*(单目) 4B8{\"6
6. 返回地址。 pRdO4?l
operator&(单目) I1(,J
7. 下表访问返回类型。 Uz!cVs?-
operator[] 7,"1%^tU
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 kR-5RaW
operator<<和operator>> ,
v6[#NU_Z
ex2*oqAdX
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 Ih95&HsdC
例如针对第一条,我们实现一个policy类: c~Hq.K$d
LNU9M>
template < typename Left > V#6`PD6
struct value_return = %7:[#n
{ "|"bo5M:
template < typename T > F;&'C$%
struct result_1 WYE[H9x1?
{ Im_`q\i
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; MgLz:2
:F
} ; qx/GioPU
/m*vY`
template < typename T1, typename T2 > yHoj:f$$x
struct result_2 uEuK1f`
{ 'm"H*f
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; !-4pr[C
} ; C`x>)wm:
} ; 7b T5-=.
m5LP~Gb
DI!l.w5P_
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait nyPA`)5F0
GRj{*zs
下面我们来剥离functor中的operator() gGdZ}9
首先operator里面的代码全是下面的形式: S*CRVs
l!q i:H<=1
return l(t) op r(t) oOe5IczS(
return l(t1, t2) op r(t1, t2) WZ~rsSZSV
return op l(t) ~`mOs1 d
return op l(t1, t2) R4QXX7h!
return l(t) op 0-4WLMx
return l(t1, t2) op Q} f=Ye(&}
return l(t)[r(t)] i':<