一. 什么是Lambda Qp+lJAY
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 v"
FO
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, yJ J8"s~i
-$R5
SLh~_ 5
e"_"vbk
class filler UK:M:9
{ 0w}{(P;
public : ]h8/M7k
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} jt%WPkY:
} ; "1%*'B^}bw
U_Y;fSl>
n/-N;'2J
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: |"\lL9CT
W-XN4:,qI
H%T3Pc
)"~=7)~<^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); V"g~q?@F
R `Q?J[e
k4mTZ}6E
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 _z%\'(l+
GfNWP
{~1M
?,V;f2c
二. 战前分析 Z@nmjj i
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 n}5x-SxS0
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 _w%s(dzk
B>aEHb
!vrnoFVu
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); dw99FA6
/* --------------------------------------------- */ !Iko0#4i
vector < int *> vp( 10 ); p1?J
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); a;yV#Y
/* --------------------------------------------- */ f>4+,@G
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ds')PIj
/* --------------------------------------------- */ d-i&k(M
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); {4)5]62>u
/* --------------------------------------------- */ q8tug=c
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); {5.?'vMp
/* --------------------------------------------- */ !g/_w
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); +}Auk|>Dc
pfNThMf
1W7
iip,
Qv=Bq{N
看了之后,我们可以思考一些问题: cWc$yE'
1._1, _2是什么? t5A[o7BS
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。 {{GHzW
2._1 = 1是在做什么? LVWxd}0
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。 ls]Elo8h1f
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。 5I_hh?N4Z
"pl[(rc+u
*<;&>w8
三. 动工 =mAGD*NKu
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ]X4RnV55Q
&U854
ur`}v|ZY
@US '{hO1p
template < typename T > ~.!?5(AH8z
class assignment /$<JCNGv
{ WVsKrFZT
T value; uk1v7#p
public : 0-lPhnrp
assignment( const T & v) : value(v) {} n*Q4G}p
template < typename T2 > W>VAbm
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } >02i8:Tp5K
} ; t2m ^
e4 ?<GT
?WMi S]Q\
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 =
c/3^e
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment WMRYT"J?N]
Ds;Rb6WcnY
uk`d,xF
/XbY<pj
class holder EgCp:L{
{ hE9'F(87a
public : b^@`uDb6
template < typename T > cRjL3
assignment < T > operator = ( const T & t) const !~Ax
{ |UABar b
return assignment < T > (t); av7q>NEZ!1
} ~4}*Dhsh
} ; 5J?bE?X
GR_p1 C\
k-;.0!D^
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: o&*1U"6D
zd.1
static holder _1; mJ7`.
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 /0X0#+kn
|~Htj4K/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); LAOdH/*:
而不用手动写一个函数对象。 z2"2tFK
/5a$@%
b0rt.XB
kJVM3F%
四. 问题分析 1"*Nb5s
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。 "`y W]v
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。 \5j22L9S
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 pQ 4
%]Api
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 #mi0x06
下面我们可以对这几个问题进行分析。 k4]R]=Fh.
rHA/
五. 问题1:一致性 mkKRC;
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?| ]QjXh>
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 )< X=z
;D%5 nnr
struct holder rPrEEWS0)
{ bdNY 7|j`
// ]l9,t5Y
template < typename T > (\[jf39e
T & operator ()( const T & r) const 3D[:Rf[
{ <yX@@8
return (T & )r; h$:&1jVY{
} }0(vR_x
} ; FE^?U%:u@
D0,oml
这样的话assignment也必须相应改动: [rD+8,zVm
kM6
EZ`mj
template < typename Left, typename Right > @k#z&@b
class assignment H>@JfYZ0
{ l7=$4As/hI
Left l; oj,Vi-T Z
Right r; -wG[>Y
public : \&l*e
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {}
4#'^\5
template < typename T2 > 6c;?`C
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Ugee?;]lu
} ; ^5^
zo~^o
noB}p4
同时,holder的operator=也需要改动: K!$\REs
y.TdWnXx
template < typename T > PHE;
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const O23]!S<;
{ 3XYIb Xnk
return assignment < holder, T > ( * this , t); PLY-,Q&'
} Xs#?~~"aC
q]wn:%rX
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。 V2<k0@y
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 _bvtJZ3i
SIyS.!k>
return l(rhs) = r; )BM WC
k
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。 l{%Op\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Is#v6:#^
]h`E4B
template < typename Tp > .D M1Knj
class constant_t A~%g"
{ sOrY^cY;
const Tp t; XEe+&VQmY
public : t9=|* =;9)
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} SFm.<^6
template < typename T > z!uB&2C{k
const Tp & operator ()( const T & r) const 55jY` b.
{ -*-zU#2|
return t; X/?h!Y}
} rE'
%MiIK
} ; ]pucv!
jv?aB
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 FC/>L
下面就可以修改holder的operator=了 "KQ\F0/
o*5e14W(:
template < typename T > ~[bMfkc3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const [fJFH^&?hr
{ VS@rM<K{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); dwsy(g7
} FKvO7? K
/*xmv
$
同时也要修改assignment的operator() bvxxE/?Ni
/=O+/)l`
template < typename T2 > /:c,v-
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } UmHJ/DI@
现在代码看起来就很一致了。 (B?xq1Q
?X5glDZ$
六. 问题2:链式操作 P.2.Ge|
现在让我们来看看如何处理链式操作。 [.yx2@W
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。 p|O-I&Xd
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。 SBB
bniK-
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。 2l}FgD
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 4s+J-l
/hj9Q!
template < typename T > TVEF+t
struct result_1 ^9m]KEucd7
{ :_b
=Km<
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 'E6gEJ
} ; xhoLQD
sn T4X
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: ]ge^J3az$u
:_[cT,3
template < typename T > V
IRv
struct ref oqU#I~ -
{ j2v[-N4 {J
typedef T & reference; '/]Aaf@U8
} ; ;V(}F!U\z
template < typename T > &>^Ympr
struct ref < T &> 8"I5v(TV
{ {/VL\AW5$
typedef T & reference; jwE(]u
} ; eNk!pI7g
y0y;1N'KK
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ]NhWhJ:
E/Gs',Y
template < typename T > n<(5B|~y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const K d|l\k!
{ !gH.st
return l(t) = r(t); ~a0}
} d'@H@
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。 #(wzl
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 #Ew
eG^!#
rgY?X$1q_
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 @42lpreT
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: }n&JZ`8<s
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 1*`JcUn,>
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 #z54/T
最后的布局是: KcyM2hE7
Add u$`x]K=Zsm
/ \ LYo7?rp
Divide 5 oDiv9jm
/ \ 0$dNrq
_1 3 a\j\eMC
似乎一切都解决了?不。 V?=zuB?'
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。 z&/
o
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。 -<^Q2]PE;
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: ve/6-J!5Y.
aRb:.\ \zc
template < typename Right > )k<~}wvQ0
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const =+#RyV
Right & rt) const +OuG!3+w
{ sn-+F%[
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :usBeho
} !urd
$Ta
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 [tw<TV"\
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 N#-\JlJ)
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 9'L0Al~L
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 :zy'hu;
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 thboHPml{
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? nf@u7*#6
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: U=1`. Ove
`U>b6{K
template < class Action > !(AFT!
class picker : public Action MvwJ(3
{ jc.Uh9Kc
public : dM;WG;8e
picker( const Action & act) : Action(act) {} ^RDXX+
// all the operator overloaded 42[:s:
} ; >qGR^yvb
cO?"
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 \$Qm2XKrK
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: g.VIe
#)eJz1~
template < typename Right > tg`!svL!
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 2Mi;}J1C{
{ i'LTKj
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); *bC^X'
} ?'_7#0R_0
dM$G)9N)K
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > u5|e9(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。 ^i k|l=
~(E8~)f)
template < typename T > struct picker_maker u:kY4T+Z
{ k EDZqUD
typedef picker < constant_t < T > > result; v-aq".XQ
} ; xa^HU~
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > rKO*A7vE
{ l\y*wr`
typedef picker < T > result; c|a|z}(/J
} ; `lOoT
L#N.pd
下面总的结构就有了: KPcuGJ
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。 r6_a%A*
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。 cf3c+.o
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ;|%JvptwW%
至此链式操作完美实现。 (:muxby%
Qz$Dv@*y\
FDC{8e
七. 问题3 S.4YC>E
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 oeKc-[r
D6:J*F&?
template < typename T1, typename T2 > 6)YNjh.{*
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const <plR<iI.
{ &;3z 1s/
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); U2?gODh'
} wLSYzz
-$ft `Ih
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: !/Ps}.)A`
LX&P]{qKS
template < typename T1, typename T2 > ^$
bhmJYT
struct result_2 ',%&DA2
{ $yK!Q)e:
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; p~co!d.q/}
} ; @]3Rw[%z
e)(|
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? SX,zJ`"
这个差事就留给了holder自己。 [63;8l}
.ai9PsZ?V
:*nBo
template < int Order > ,99G2Ev4c
class holder; 'Mqa2o'M
template <> j06oAer 9
class holder < 1 > Z9^$jw]
{ 9Q1GV>j>B
public : @S92D6
template < typename T > WcG&W>
struct result_1 +yI^<BH
{ 8PS:yBkA|
typedef T & result; O+J;Hp;\_
} ; 0GVok$r@
template < typename T1, typename T2 > v[
'5X
struct result_2 JwczE9~o
{ dVfDS-v!
typedef T1 & result; DyZ90]N
} ; h)`vc#"65k
template < typename T > `:4cb$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const #^V"=RbD
{ }(''|z#UE
return (T & )r; yBiwYk6
} Nf'9]I
template < typename T1, typename T2 > 4Pdk?vHK;
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const (Mh\!rMg
{ [40 YoVlfM
return (T1 & )r1; &3J#"9_S
} {r8CzJ'f
} ; ]f~YeOB@
k 'b|#c9c
template <> :i$Z
class holder < 2 > Fgk/Ph3r
{ %"2B1^o>
public : lhTbg M
template < typename T > _F EF+I
struct result_1 uSjMqfK
{ dp+Y?ufr
typedef T & result; mY(
_-[W
} ; cf'Z#NfQ
template < typename T1, typename T2 > ?Gfe?
struct result_2 V:J6eks_
{ U s5JnP 5
typedef T2 & result; 5?MvO]_
} ; Nb1lawC
template < typename T > 7d5x4^EYE
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const /K<Nlxcm
{ _C\b,D}p
return (T & )r; Of=z!|l2
} OHo0W)XUU
template < typename T1, typename T2 > s qKkTG3
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const jw[`\h}8
{ b1cd5
return (T2 & )r2; 1P_bG47
} 5
S&>9l
} ; y;jyfc$
`
{Se93o
.Dmvgi]
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> >。 r%9Sx:F
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: :u0433z:
首先 assignment::operator(int, int)被调用: {xX|5/z
;}qCIyuO]
return l(i, j) = r(i, j); +h/$_5
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ijB,Q>TgO
x{}m)2[ Y
return ( int & )i; o<4LL7$A!
return ( int & )j; HPQ ,tlp6j
最后执行i = j; n6}1{\
可见,参数被正确的选择了。 Zn//u<D
t}nRW o
;Z*RCuwg
d\f5\Y
;xc
八. 中期总结 6eD[)_?]y
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: 4$"Lf'sH6
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 PhS"tOGtX
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 dEiX!k$#
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor {TNAK%'v
"=;&{N~8U
Ft}tIP7
GZw<Y+/V"5
wkGF&U
e|LXH/H
九. 简化 DxBt83e
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。 &}uO ]0bR
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 pK`rm"6G
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: itU01
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 l
O^h)hrR
+-*/&|^等 {IVqV6:
2. 返回引用。 r/e&}!
=,各种复合赋值等 DiX4wmQ
3. 返回固定类型。 Q7\Ax0
各种逻辑/比较操作符(返回bool) jDoWSYu4tY
4. 原样返回。 %WNy=V9txp
operator, oKac~}_KL
5. 返回解引用的类型。 ^cNP?7g7
operator*(单目) `@&qf}`
6. 返回地址。 k#.co~kS
operator&(单目) @&+
1b=
7. 下表访问返回类型。 L8fr
uwb
operator[] ?r+tU
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 f19
i
!
operator<<和operator>> 9`muk
;P_Zen
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。
P/Zo
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 6D OE6
@lX)dY
template < typename Left > OL>/FOH:Fx
struct value_return '54@-}D
{ f
{
ueI<
template < typename T > X%dOkHarB
struct result_1 e.T5F`Du
{ ZDf9Npe
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; wmIq{CXx,
} ; (_T&2%
38#(ruv
template < typename T1, typename T2 > cZYX[.oIB
struct result_2 %(E6ADB
{ C {))T5G
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; U:>O6"
} ; 8+gn
Wy
} ; pmS=$z;I
!|!V}O
ZjcJYtD
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait ^2=zp.)
%vksN$^
下面我们来剥离functor中的operator() V)]&UbEL|
首先operator里面的代码全是下面的形式: ji2#O.
l|K8+5L
return l(t) op r(t) 82<L07fB
return l(t1, t2) op r(t1, t2) -K0tK~%q
return op l(t) Qhr:d`@^]
return op l(t1, t2) zumRbrz
return l(t) op \!PC:+uJ
return l(t1, t2) op ~t}:vGD j
return l(t)[r(t)] (3-G<