一. 什么是Lambda wQhNQ(H~\
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 {VcRur}&Y8
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, Y^fw37b
\ruQx)5M
GX>8B:]o|
m5K?oV@n
class filler g)Lf^
{ B=|R?t (*
public : ,aP6ct
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Qg4D*r\|@
} ; y )QLR<wf
`YNzcn0x
&
l>nzJ5?
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: {wqT$( (<
bb6x} jR
bMO^}qR`
gv*b`cl
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); OoB|Eh|),
}y(t')= 9
IW~R{ ]6
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 TM)INo^
j4$nr=d.6
PLCm\Oh$l
Na0^csPm
二. 战前分析 +kL7"
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。 r w?wi}}gn
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 6jq*lnA%
aU!}j'5Q
IZZAR
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ^'`b\$km-0
/* --------------------------------------------- */ c4H6I~2Na
vector < int *> vp( 10 ); =7 l
uV_5
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Y2`sL,'h
/* --------------------------------------------- */ uo"<}>iJ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 1&w%TRC2x
/* --------------------------------------------- */ 7^gO>2~
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); jPWONz(#
/* --------------------------------------------- */ Od!)MQ*,
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); IWv 9!lW
/* --------------------------------------------- */ pN9 !
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); [\8rh^LFi
VGS%U8;
@6;OF5VsQ
`<7\Zl
看了之后,我们可以思考一些问题: $$9H1)Ny
1._1, _2是什么? S\GWMB!oF
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。 8E%LhA.
2._1 = 1是在做什么? (TZK~+]@sb
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。 "qmSwdM
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。 *C_A(n5"V
mskG2mA
K=gg <E<
三. 动工 #C9f?fnM
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: f_~T
;hT3N UCA
,/f\
C[7!pd
template < typename T > JwG(WLb:
class assignment U0&myj 8L
{ _Ewh:IM-
T value; X=QX9Ux?^
public : #Vk?
assignment( const T & v) : value(v) {} "laf:Ty1
template < typename T2 > )!8qJQD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } T`#nn|
} ; yYz{*hq
2yfU]`qN
!>48`o^
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 6z\!lOVjb
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment a 0SZw
MCE@EFD`\
q{w|`vIb
|"*P`C=
class holder <*5S7)]BP
{ wB)y@w4k
public : ;[y( 14g
template < typename T > od
`;XVG
assignment < T > operator = ( const T & t) const 7KgaXi3r
{ ]it.
R-
return assignment < T > (t); 7y
Cf3
} hz/mNDE]
} ; -d,D!
[ja^Bhu
Oo|JIr7i
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: *7AB0y0k
Ii0\Skb
static holder _1; [UwQi!^-O
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 u62H+'k}F
-Q? i16pM
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); }?2X
q
而不用手动写一个函数对象。 \(Ma>E4PNU
@X/ 1`Mp
@qNY"c%HV
3@~a)E}T
四. 问题分析 c7CYulm
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。 .gO|=E"
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。 +$C9@CZM9
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 tl dK@!E3
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 m*
3ipI{h
下面我们可以对这几个问题进行分析。 h1~h&F?
%bw+>:Tr
五. 问题1:一致性 g 4+K"Q/M
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| An_(L*Qz
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 `:&RB4Z
wR_mJMk_
struct holder <zXG}JuL@T
{ z</C)ObL
// ?NA$<0
template < typename T > JSUD$|RiJ
T & operator ()( const T & r) const b%lH=u
{ !Q\*a-C
return (T & )r; 0MRWx%CR
} !/G}vu
} ; P5my]4|x
"G%S
m")
这样的话assignment也必须相应改动: ,$`}Rf<
oG)T>L[&
template < typename Left, typename Right > %U{6 `m
class assignment 3P!OP{`
{ Bw;isMx7
Left l; l~$)>?ZD
Right r; q{h,}[U=
public : !SuflGx,q
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} p@pb[Bx~[
template < typename T2 > +pYgh8w@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } w10~IP
} ; &0kr[Ik.
7c\W&ZEmb-
同时,holder的operator=也需要改动: M"*NV(".g
d'(n/9K
template < typename T > GP+=b:C{E
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const b'pwRKpx
{ ;?u cC@
return assignment < holder, T > ( * this , t); pj_W^,*/
} @PM<pEve
c&PsT4Wh
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 )q{qWobS0
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 +mjwX?yF
;?q(8^A
return l(rhs) = r; u^xnOVE
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ]#NfH-T
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: k2eKs*WLC
'A|c\sy
template < typename Tp > +C\79,r
class constant_t e(w c
[bv
{ (-yif&
const Tp t; "]jN'N(.
public : NK|U:p2H
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} u>;aQtK~
template < typename T > y)K Iz
const Tp & operator ()( const T & r) const u.q3~~[=
{ }h`z2%5o
return t; ;40Z/#FI
} f\5w@nX
} ; G9XkimQ'
m? wQk:Y1
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 8^EWD3N`
下面就可以修改holder的operator=了 i'<hT
q4
qJF'KHyU{l
template < typename T > H,
3Bf
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const X.{xHD&_
{ 2XL^A[?
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ^0"^
} `IlhLv
uPl7u1c
同时也要修改assignment的operator() m>+
R@grY:h
template < typename T2 > z~f;}`0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } xJw"
8V<
现在代码看起来就很一致了。 Pz*BuL<
>!Gq[i0
六. 问题2:链式操作 gGE{r}$
现在让我们来看看如何处理链式操作。 W/A@q o"
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。 sT =|"H?
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。 #}fvjJ{
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。 @|;[
;:h@
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct +o3n%( ^~
]*]*O|w
template < typename T > ;Qy Ew5
struct result_1 G[e,7jev
{ 8;`B3N7
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; _S[@?]=`b
} ; FS8l}t
o~Hq&C"^}
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: (]sm9PO
*0oa2fz%
template < typename T > *DcIC]ao[
struct ref XR8`,qH>
{ `hY%HzV=
typedef T & reference; aNM*=y`
} ; Q0`@=5?-
template < typename T > V}vL[=QFZ(
struct ref < T &> /Gnt.%y&
{ 7V^j9TC
typedef T & reference; K8KN<Q s]
} ; E9k%:&]vd
|:SV=T:
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: |Zn;O6c#L5
"1""1";
template < typename T > e+#Oj
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const jCj8XM{c>
{ _[8JSw7
return l(t) = r(t); iuqJPW^}
} >r)UDa+
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。 _s-X5xU
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Y,mo}X<>
.z$UNB(!M
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 p\I3 fI0i
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: U(+QrC:
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ph)=:*A6&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?mV2|;
最后的布局是: OWfB8*4@
Add Te!eM{_$T
/ \ 9(X~
Divide 5 aiX4;'$x!
/ \ f dJg7r*
_1 3 LDw.2E
似乎一切都解决了?不。 -A}$5/
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。 Yrf?|,
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。 4]zn,g?&
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: 902A,*qq
EhD%
template < typename Right > h`Ej>O7m
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const =|O]X|y-lZ
Right & rt) const _eQ-'")
{ b* n#XTV
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); H9_>a->
)~
} wBI:}N@.
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 IN;!s#cl:
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。 UC`sq-n
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。 CXu$0DQ(
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。 ,:
z]15fX
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。 Grw[h
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? 2fayQY
xD
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: %26HB
w=JF
<b4}
B
template < class Action > _;x` 6LM
class picker : public Action f[`&3+
{ ~6u|@pnI
public : ?TDmW8G}J
picker( const Action & act) : Action(act) {} O d6'bO;G
// all the operator overloaded x5#Kk.
} ; (0_]=r=q
jA@
uV,w
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。 MD;,O3Ge
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: 9l[C&0w#\
b*Hk}
!qH
template < typename Right > b!QRD'31'j
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 7
mA3&<&q
{ ~s?y[yy6i
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); DjZTr}%q
} %"E!E1_Sv
KKg\n^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > :[PA .Upi
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。 b
V_<5PHP
rCGKE`H
template < typename T > struct picker_maker Q[!?SSX%
{ otdv;xI9
typedef picker < constant_t < T > > result; ykx13|iR
} ; KLj/,ehD
!
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > MD0d
{ INCanE`+
typedef picker < T > result; !t)uRJ
} ; {)Zz4
iF:NDqc
下面总的结构就有了: +5GC?cW
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。 +Z9ua%,3%
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。 4dz Ym+vJm
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 (:+Wc^0
至此链式操作完美实现。 !}eq~3
vl`St$$|
\WUCm.w6\%
七. 问题3 )>rYp
)
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。 W"~"R
'oBv(H
template < typename T1, typename T2 > Cb|R
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 'o8,XBv-
{ ARJtE@s6Y
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]'#^ ~.
} Qc
1mR\.5
-S@ ys
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: v49i.c9
]VN1Y)
template < typename T1, typename T2 > =*?XZA)c
struct result_2 nwDW<J{f|U
{ ~ayU\4B
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; N9H qFp
} ; odvUU#l
~a>3,v-
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? Ac>GF
这个差事就留给了holder自己。 -zH-9N*c
TU| 0I
Pj^Ccd'>=
template < int Order > >u`Ci>tY
class holder; Nc(A5*
template <> nzB!0U
class holder < 1 > ]#rmk!VT?
{ ZI!;~q
public : O4W2X@
template < typename T > XQ Si
struct result_1 X=k|SayE8
{ kgX"I ?>d
typedef T & result; 0M}Ql5+h,
} ; i8/"|+Z
template < typename T1, typename T2 > x}7Xd P.2$
struct result_2 0w$1Yx~C
{ ',Oc+jLR
typedef T1 & result; %A@U7gqc
} ; %8"Aq
template < typename T > y$|OE%S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const y= 1(o3(
{ ,ce$y4%(
return (T & )r; (jh0cy}|]
} B/EGaYH
template < typename T1, typename T2 > cn
;2&
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ;sSRv9Xb
{ *^%ohCUi
return (T1 & )r1; %G] W Oq=q
} P9# }aw+
} ; <
$rXQ
J\ ?
template <> LC/%AbM
class holder < 2 > C:}"?tri
{ .18MMzdN
public : ];Bk|xJ/>
template < typename T > qS[nf>"
struct result_1 kPp7;U2A
{ 6)3pnhG9
typedef T & result; |=Pw-uk
} ; ^+dL7g?+
template < typename T1, typename T2 > eG5xJA^
struct result_2 Oyjhc<6
{ eKqo6P:#f
typedef T2 & result; f:A1j\A?
} ; 5bprhq-7
template < typename T > k?Iq 6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 0~nub
{ u,Cf4H*xS
return (T & )r; *2I@_b6&
} /3 ;t
&]
template < typename T1, typename T2 > SDW!9jm>R
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const @(e/Y/
{ eq36mIo
return (T2 & )r2; lLL) S
} yKOC1( ~
} ; j1$s^ -9
wb-_CQ
Cy\! H&0wg
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> >。 &o)eRcwH`
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: WS ^%<
h#
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ohB@ij C!
ncij)7c)u
return l(i, j) = r(i, j); p w`YMk
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) h!]=)7x;
i}LVBx"K(
return ( int & )i; $%3%&+z$I
return ( int & )j; ,y*|f0&"~
最后执行i = j; $[*<e~?
可见,参数被正确的选择了。 DqBiBH[%h
mp>Ne6\Tu
,A!0:+
8}!WJ2[R
'di(5
八. 中期总结 Eg#WR&Uq"
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: ]hi5nA
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 XRWy#Pj
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 agPTY{;
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 10e~Yc
1ihdH1rg[
,CQg6-[
-|&&lxrwh
MJI`1*(
:0j_I\L
九. 简化 rIWQD%Afm
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。 m3 W
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 7F wot&