一. 什么是Lambda C{Npipd}v
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 =<33(
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, pK$^@~DE
teM&[U
0BVMLRB
5IMh$!/uc
class filler YHeB<v
{ Jnv91*>h8
public : S!g&&RDx
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} <y`yKXzBUV
} ; T8qG9)~3
Q7#Q6-Q
Vr5a:u'
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: Lw!@[;2
1>|p1YZ"
8vaqj/
MK=:L
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); v3@)q0@
>#>YoA@S
wmT3 >
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 BJlF@F#
?f &*mp
KE(kR>OB]
7dU X(D,?
二. 战前分析 B`KpaE]
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。 8qBw;A)
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 _;0:wXib=
AY *
Z/ThYbk
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !)&-\!M>
/* --------------------------------------------- */ 6NZf!7,B
vector < int *> vp( 10 ); &G'R{s&"
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); =@ON>SmPs
/* --------------------------------------------- */ *4.f*3*
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); eH1Y!&`
/* --------------------------------------------- */ 2gFQHV
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); J/
rQ42d
/* --------------------------------------------- */ uHwuw_eK`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); My5X%)T>P
/* --------------------------------------------- */ LFh(.
}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); g\6(ezUF*
*!nS4[d
dn`#N^Od
Q>z0?%B
看了之后,我们可以思考一些问题: B"{CWH O
1._1, _2是什么? %`gqV9a
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。 6o6m"6
2._1 = 1是在做什么? Ob(j_{m
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。 -8TJ~t%w4
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。 T>LtN
Q0M8}
-|ee=BV
三. 动工 1zl@$ Nt
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Wc+ e>*
r5F#q
y6G[-?"/Q
R4qS,2E
template < typename T > *9*I:Uh57
class assignment B|!YGfL
{ 47t^{WrT
T value; 9N-mIGJ
public : LWIU7dw
assignment( const T & v) : value(v) {} ]aaHb
template < typename T2 > 5@Rf]'1B0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 0ED(e1K#B
} ; vO"AJ`_
]bX.w/=
b},OCVT?
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 &uk?1Z#j
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment i@d!g"tot
zJ@f {RWZa
)b5MP1H
a0.)zgWr
class holder BeplS
{ `cVG_=2
public : |@Z
QoH
template < typename T > H,zRmK6A%
assignment < T > operator = ( const T & t) const Bv/v4(G5g
{ znu?x|mV
return assignment < T > (t); mEE/Olh W
} y+X%qTB
} ; AMtFOXx%I
33
N5> }
TNiFl hq
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: HW{+THNj
BeP0lZ
static holder _1; !f"@pR6
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 o<%Sr*
R#Ss_y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); F5EKWP
而不用手动写一个函数对象。 b/2t@VlL
_D
z4}:9
~Uga=&
vbh\uv&
四. 问题分析 /A{znE
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。 !o>/gI`
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。 o'Po<I
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 4UG7{[!+
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 o3%+FWrVTS
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Fet>KacTht
~Edm VEu
五. 问题1:一致性 g3"`b)M
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?| |-Y,:sY:
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 9g "?`_
a}%>i~v<
struct holder x/5%a{~j2
{ j63w(Jv/
// D(L%fK` +
template < typename T > C+2*m=r
T & operator ()( const T & r) const 6kYn5:BhIi
{ Vx?a&{3]-
return (T & )r; .!=2#<
} wVw3YIN#
} ; _`ot||J
?l
bK;Kv
这样的话assignment也必须相应改动: r=s2wjk
&e2") 4oh
template < typename Left, typename Right > 1oodw!hW
class assignment Qv[@ioc
{ s{hJ"lv:
Left l; Z
wIsEJz
Right r; 'rU5VrK
public : h.G/HHz
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} DTgF,c
template < typename T2 > +=;F vb
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } >_tn7Z0L
} ; B
ljZ&wZW
r@k&1*&
同时,holder的operator=也需要改动: hb[K.`g
%0= |WnF-
template < typename T > }0c'hWMZ}
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const keCM}V`?"
{ J`V7FlM
return assignment < holder, T > ( * this , t); \$GlB+ iCx
} N(&,+KJ)
}!5"EL(L80
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。 o'r?^ *W
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 -*+7-9A I
mWCY%o@
return l(rhs) = r; c00a;=ji
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。 w_4`Wsn
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ?v `0KF
[
98)7
template < typename Tp > zJXU>'obe
class constant_t Tig`4d-%
{ e3\*Np!rTQ
const Tp t;
g$9Yfu
public : </Q<*@p?
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ,in`JM<o
template < typename T > l}K{=%U>7
const Tp & operator ()( const T & r) const 'tp+g3V
{ s#-`,jqD
return t; ~b\bpu
} 29
')Y|$,
} ; .k Gg}
<.+hV4,3
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 lc#su$xR>
下面就可以修改holder的operator=了 pz#oRuujY
CGny#Vh
template < typename T > 'I\bz;VT
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const '+5*ajP<
{ d5UdRX]*
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 9xN4\y6F
} 1Ep!U#Del
U''/y\Z
同时也要修改assignment的operator() mGwBbY+5n
7WKb|
/#;
template < typename T2 > _}{C?611c
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } .$L'Jt2X
现在代码看起来就很一致了。 p.gi8%f`
i|y8n7c
六. 问题2:链式操作 b-yfBO
现在让我们来看看如何处理链式操作。 wHAoO#`wn5
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。 .G4(Ryh
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。 WEOW6UV(
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。 0,E*9y}
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct LoqS45-)
xW!2[.O5H
template < typename T > ,*wa#[
struct result_1 3g^_Fq'
{ m fg{% .1
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; o.*8$$
} ; '%l<33*
i4JqU\((]
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: <TC\Nb$~
IBo)fE\O
template < typename T > ~\6Kq`Y
struct ref x?y)a9&Hm
{ 6"/cz~h
typedef T & reference; hL+)XJu^J
} ; )Gh"(]-<
template < typename T > v&(PM{3o
struct ref < T &> 71Q-_Hi
{ DUFfk6#X}
typedef T & reference; {OXKXRCa
} ; =hjff/
X
)C|[j@MD
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 3#!}W#xv
Akb#1Ww4
template < typename T > #kR8v[Z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 8rx?mX,}
{ ,-rOfk\u
return l(t) = r(t); Oc}4`?oy<O
} h2QoBGL5
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 j;WZ[g#t
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 /2Y t\=S=
dmgoVF_qR
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 G\@uj>Z
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: <]2X~+v
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 96fbMP+7R
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 6F(;=iY8
最后的布局是: 7y""#-}V[r
Add N \1
EWi
/ \ ( d#E16y
Divide 5 >TK:&V
/ \ \Z{6j&;
_1 3 \7n ;c
似乎一切都解决了?不。 3WHj|ENW
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 x\z*iv
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 )*}2L_5]
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: 7_xQa$U[
:D|"hJ
template < typename Right > AqM}@2#%%
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const }1kT0*'L
Right & rt) const VEj-%"\
{ h mC.5mY
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); C2OBgM+
} %{?EfULg
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 X0wvOs:
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。 "#Qqwsw7
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。 Ro\ U T64
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。 Lq:
!?)I
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。 O10,h(O
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? >rJ9^rS
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: l6]:Zcd0
!6{; z/Hy
template < class Action > Gi]R8?M
class picker : public Action %#kml{I
{ *DfwTbg|
public : (1Q G]1q
picker( const Action & act) : Action(act) {} =BW;n]ls
// all the operator overloaded YflM*F`
} ; 6b`3AAGU"
ebsZ
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。 |>X5@
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: A/:^l%y,GZ
*i3\`;^=
template < typename Right > xvn@zi
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const j]Y`L?!Q
{ 82d~>i%T
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); WD.td
} hilgl<UF
+||y/}1
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > jRdmQmTJ
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。 h]WPWa)M
`#J0@ -
template < typename T > struct picker_maker Y=0D[o8
{ #2
Gy=GvV
typedef picker < constant_t < T > > result; TC[(mf:8
} ; "Bn8WT2?
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > CNU,\>J@$
{ nbd-f6F6
typedef picker < T > result; UaA1HZ1
} ; K X0{dizZ
X$mCn#8m
下面总的结构就有了: QAN :
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 `_"F7Czn
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 . l1uqCuB
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 re}_+svU
至此链式操作完美实现。 AIN Fv;
\;#T.@c5
f0!i<9<
七. 问题3 b&]_5 GGc
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 r2!\Ts 5v
)c432).Z
template < typename T1, typename T2 > 9W5~I9%
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 5=cS5q@
{ L F<{/c9,
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); X"hdCY%
} pb8sx1.j;
9feVy\u
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: q)N]*~
~|CWy
template < typename T1, typename T2 > KAkD" (!
struct result_2 =Pj+^+UM
{ nLvF^%P8
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; I!-"SuBy4J
} ; ut/3?E1 Z
EjY8g@M;t
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ECW=865jL
这个差事就留给了holder自己。 ' v)@K0P
D_s0)|j$cy
>G#SfE$0
template < int Order > WlJ=X$
class holder; X>-|px$vy
template <> k4i*80
class holder < 1 > o*5iHa(Qm
{ xOY
%14%Y
public : d1]1bN4`"0
template < typename T > mc
FSWmq
struct result_1 p<[gzmU9\b
{ E^K<b7
typedef T & result; PPpq"c
} ; B
r`a;yT
template < typename T1, typename T2 > !{S& "
struct result_2 h&|PHI
{ Mn>/\e
typedef T1 & result; UA0j#
} ; .Tm m
template < typename T > b@s6jNhVO^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const $:l>g)c
{ Acix`-<
return (T & )r; 84U?\f@u
} a*kvU "]
template < typename T1, typename T2 > -|.Izgc
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const n5qg6(Tl]
{ D,hZVKa
return (T1 & )r1; NB^+Hcb$
} _-+xzdGvX
} ; j:>_1P/
3u,C I!
template <> _ J t
class holder < 2 > ?zP/i(1y
{ xCTPsw]s
public : :MPfCiAv
template < typename T > -Z(='A
struct result_1 z?3t^UPW
{ Q4R*yRk
typedef T & result; ye^*Z>|
} ; * "qS
template < typename T1, typename T2 > iZ( U]
struct result_2 E3vYVuw
{ {9
.sW/
typedef T2 & result; 3xX^pjk
} ; Vu=e|A#
template < typename T > `m")v0n3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const /$=<"Y7&g
{ Tb!Fv W
return (T & )r; T1*%]6&V|
} oE.59dx
template < typename T1, typename T2 > a #`Y(R'
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const G2y`yg
{ ?h|&kRq
return (T2 & )r2; Kj{(jT
} o)2KQ$b>Q
} ; 1=@csO_yn
$*')Sma
I6e[K(7NY
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。
zB68%
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: )q|a Sd
首先 assignment::operator(int, int)被调用: VFI\2n`
^:cc3wt'3[
return l(i, j) = r(i, j); I<+i87=
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) EA``G8Vn>
+bDBc?HZ{$
return ( int & )i; ;@<Rh^g]
return ( int & )j; rNN,!
最后执行i = j; 3YO%$
可见,参数被正确的选择了。 J\l'nqS"
[k<.BCE
e2_p7
DD fw&
y
;.U<Lr^9#
八. 中期总结 {A`J0ol<B9
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 (.~[-K4
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 "$krK7Z
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 )&{<gyS1
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ,_M
roM!%hb
93VbB[w~7F
(Go1@;5I
3j7Na#<tL3
'ju'O#A9
九. 简化 }bZb8hiG
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 ;k:17&:8ue
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 xOt
{Vsv
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: %'w?fqk
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 @L ,4JPk
+-*/&|^等 Ud& '*,
2. 返回引用。 *!r"+?0gN
=,各种复合赋值等 KXf(v4
3. 返回固定类型。 N8KH.P+
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Ib(G!oO:E-
4. 原样返回。 (.pi ,+Ws
operator, !O 0{ .k
5. 返回解引用的类型。 ],-(YPiAD
operator*(单目) )}$]~
f4R
6. 返回地址。 7h#*djef
operator&(单目) tjg?zlj
7. 下表访问返回类型。 XGb*LY+Db6
operator[] Ws/\lD
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 {!&^VXZIT
operator<<和operator>> !~Ptnr`;
z'01V8e
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。 Y !%2vOt
例如针对第一条,我们实现一个policy类: hw({>cH\
uk9!rE"
template < typename Left > 7 -S?U~s
struct value_return +z|@K=d#|
{ qM18Ji*
template < typename T > *X /i<
struct result_1 G{74o8
{ .
e_VPKF|
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; s4`,Z*H
} ; @]YEOk-
kB9@
&t+
template < typename T1, typename T2 > 43,baeG
struct result_2 ]^53Qbrv
{ tGJJ|mle>
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; |OiM(E(
} ; 5)C`W]JE
} ; 2.
q\!V}yQ
l4gZHMh'
#.{ddY{
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait &