一. 什么是Lambda ]U4C2}u
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~:C`e4
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, 6]!Jo)BF
- t4F
44^jE{,9
] : ](xW%
class filler qw|B-lT{:
{ n%vmo
f
public : "0>AefFd#
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 6lr<{k7Nw
} ; 6: R1jF*eG
^#h ;bX#
Yv{$XI7
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: : 9>U+)%
_lH:%E*
PGTjOkx
K[V#Pj9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ^m.%FIwR
>n&+<06
j3?@p5E(
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 \$,;@H5I^
k_OzkEM9!
1NN#-U
&6\E'bBt
二. 战前分析 A(C0/|#V
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 +I.{y
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 JVx-4?
(3m^@2i
JAmpU^(C
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); </Dv?
/* --------------------------------------------- */ kf' 4C
"}
vector < int *> vp( 10 ); 0}>p)k3&A
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 2tp95E`(O
/* --------------------------------------------- */ *u>[
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); <{HV|B7
/* --------------------------------------------- */ wX@g>(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~P-^An^
/* --------------------------------------------- */ 8hX/~-H
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); SmP&wNHQf
/* --------------------------------------------- */ @Rqn&tA8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); =#I/x=L:
&x[V<Gq
:{#w-oC>6P
a0wpsl
iF
看了之后,我们可以思考一些问题: vWYU'_=
1._1, _2是什么? ^{O1+7d[.
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 _6sSS\
2._1 = 1是在做什么? V$MMK
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。 Ez^wK~
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。 }SW>ysw'm
gF|u%_y-qt
QIcc@PGT9a
三. 动工 V9D>Xh!0H
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ,V+,3TT
5q}7#{A
RDu{U(!
~N+H7T.L
template < typename T > o7fJ@3B/
class assignment Gd[:&h
{ _/}/1/y$Y
T value; io$fL_R=
public : $viZ[Lu!m
assignment( const T & v) : value(v) {} yzL6oU-{&
template < typename T2 > u5P2*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } f5t/=/6>F
} ; y>JSo9[@
#<R6!"TNoz
@aWd0e]
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 8SO(pw9
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment FlLk.+!t
t \,XG
$_W kI^
x?G"58
class holder K|wB0TiXP
{
OGnuBK
public : %Wg8dy|
template < typename T > V.kf@
assignment < T > operator = ( const T & t) const Cfst)[j
{ SOJkeN
return assignment < T > (t); mA\}zLw+r9
} C.=[K_
} ; ggzcANCD<
AKUmh
c"S{5xh0&
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: iq`caoi
5}'W8gV?
static holder _1; Nb/Z +
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ~|8-Mo1ce
#J*hZ(Pq
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .vtV2lq
而不用手动写一个函数对象。 OP\m~1
mqoB]H,
9at_F'>R
I73=PfS:m
四. 问题分析 2j-^F
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。 T5+9#
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。 w@hbY:Z9z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 K\^S>dV
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 3|1v)E
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Qis/'9a
[|APMMYK1
五. 问题1:一致性 \) g?mj^
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?| cFloaCz
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 A0gRX]
)s>R~7
struct holder ECvTmU'=
{ u:%Ln_S
// \ H!Klp
template < typename T > `:YCOF
T & operator ()( const T & r) const KWiP`h8
{ G Y+li{
return (T & )r; {1J4Q[N9m
} h=MEQ-3jg
} ; -~`)V`@
=]W[{@P
这样的话assignment也必须相应改动: f2Z(hYH~
9%^O-8!
template < typename Left, typename Right > ?4YLt|sn
class assignment \vqqs
{ |sPUb;&~
Left l; Isg\ fSK<j
Right r; ]YKxJ''u
public : FZ=xy[q]~
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} `E8D5'tt
template < typename T2 > e3]v
*<bj
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } #9p|aS\
} ; `]wk)50BVp
b_a6|
同时,holder的operator=也需要改动: J)="Im)
^.@F1k
template < typename T > kJ.0|l0
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ?dAy_|
zD
{ -$cO0RSY
return assignment < holder, T > ( * this , t); 5O"$'iL
} w7QYWf'
#7p!xf^
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。 oR'u&\mB
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 D7v_<
^D A<=C-[!
return l(rhs) = r; 5b;~&N4~
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。 |a>,FZv8e
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: yUEvva
nXfdf-
template < typename Tp > ;_p!20.(
class constant_t ZFRKzPc
{V
{ 80 ckh
const Tp t; OzAxnd\.N
public : 5N:IH@
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} $Ahe Vps@@
template < typename T > G]O5irsV
const Tp & operator ()( const T & r) const N%!{n7`N:
{ w
L4P-4'
return t; q0VR&b`?>D
} _~O*V&
} ; c[a^fu!
c]R27r E
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 N}KL'
下面就可以修改holder的operator=了 ^JAp#?N^9
8QQh1q2
template < typename T > nt$q< 57
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const (ty&$
{ arN=OB
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); % !Ih=DZ
} w[OUGn'
@z>DJ>htN
同时也要修改assignment的operator() )8;At'q}
~9n30j%]s
template < typename T2 > N."x@mV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } d8K|uEHVz
现在代码看起来就很一致了。 .:~E.b
40} 7O<9*
六. 问题2:链式操作 [I`:%y
现在让我们来看看如何处理链式操作。 1h?QEZ,6a
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。 }Dx.;0*:
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。 ]Wtg.y6;
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。 lESv
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct zJo?,c
XvVi)`8!u
template < typename T > +`uNO<$~f
struct result_1 c/E'GG%Q%
{ k{D0&
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; st)qw]Dn;Y
} ; i@mS8%|l
m}6Jdt'|
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 2WC$r8E
*U +<Hv`C
template < typename T > jc HyRR1R
struct ref lcK4 Uq\q
{ V&7NN=
typedef T & reference; 3%)@c P:?
} ; &z@}9U*6b
template < typename T > f4$sH/ 2#v
struct ref < T &> R5&<\RI0
{ kLc@U~M
typedef T & reference; R]3j6\
} ; aNP\Q23D
d|>/eb.R
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: `R!Q(rePx
g{CU1c)B
template < typename T > k/1S7X[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const hDXaCift
{ [9G=x[
return l(t) = r(t); "RgP!
} AkCy
C1
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。 a(X V~o
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 l+j
!CvtI
,0{x-S0jX<
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 <<R2
X1
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: w |abaMam
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 7^tYtMm|U
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 YdyTt5-
最后的布局是: xjD."q
Add |K9*><P?)2
/ \ M4(57b[`
Divide 5 >>|47ps3
/ \ YQb503W"d~
_1 3 E1SWZ&';
似乎一切都解决了?不。 7M8 cF>o
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。 0s79rJ
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。 d"L(eI}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: e ?FQ6?
IwRP,MQ~
template < typename Right > z[6avW"q
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const e4|a^lS;
Right & rt) const HJBGxyw
{ Kj)sL0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;"Aj80
} <@[;IX`YN
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 LcB+L](
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。 $@O?
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 %!eRR
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 I L,l XB<
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 /GX>L)
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? \Zh&[D!2
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: oUO3,2bn
?8/r=
template < class Action > +~
Hb}0ry
class picker : public Action fDqDU
{ q%QvBN
public : JdLPIfI^
picker( const Action & act) : Action(act) {} `e fiX^
// all the operator overloaded Ijap%l1I
} ; v_Df+
`Tf}h8*
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 4_ypFuS ^
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: v\CBw"
@$!6u0x
template < typename Right > P3-O)m]jv
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const S(nQ?;9,
{ 63J3NwFt
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); >F:1a\c
} .c&&@>m@.
V8nQ/9R;
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > $_;rqTk]g
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 <Np Mv!g
ij#v_~g3
template < typename T > struct picker_maker i /I
{ ]*'_a@h
typedef picker < constant_t < T > > result; lNf );!}SM
} ; o5 ~VT!'[
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > U<;{_!]
{ q,<l3r In
typedef picker < T > result; 6rj iZ%
} ; }st~$JsV1
I\1"E y
下面总的结构就有了: 9C2pGfEbn}
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。 EpKZ.lCU
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。 #d3_7rI0V
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 V= p"1!(
至此链式操作完美实现。 -s!J3DB
D\+x/r?-I
4H;7GNu
七. 问题3 .>}I/+n
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。 D
"5|\
$]xH"Z%"
template < typename T1, typename T2 >
`xHpL8i$5
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const XR9kxTuk
{ )B+o
F7
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); tmoCy0qWz
} j>?nL~{
f*rub. y
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: DJ7ak>"R
jtpHDS
template < typename T1, typename T2 > 1%vE 7a>{
struct result_2 _Dqi#0#40p
{ %'h:G
Bkd
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; PX_9i@ZG
} ; BeQ'\#q,
Ix,b -C~
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? N0}[&rE 8
这个差事就留给了holder自己。 ;<[!;8
1 oKY7i$
&&52ji<3
template < int Order > h$$JXf
class holder; .sQV0jF {
template <> !`7evV:
class holder < 1 > 'YGP42#
{ K3h];F!^
public : {+cx} `
template < typename T > U';)]vB$
struct result_1 [tSv{
{ PPrvVGP
typedef T & result; ewN|">WXQ
} ; 3I)oqS@q'
template < typename T1, typename T2 > I4w``""c
struct result_2 /O$~)2^h
{ T,a{mi.hNR
typedef T1 & result; W^Fkjqpv
} ; fV7
k {dR
template < typename T > 2?Ryk`2i)
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ".Q]FE@>
{ #DguV
return (T & )r; 1I'}Uh*
} |x1Ttr,
template < typename T1, typename T2 > i !sVQ(:
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const n#WOIweInf
{ !,Gavt7f
return (T1 & )r1; s"nntC
} K iXD1Zpz
} ; n%;t Va
g(s}R ?
template <> &WAU[{4W
class holder < 2 > +/n]9l]#h
{ $^ir3f+
public : KYKF$@
<G
template < typename T > A>F&b1
struct result_1 X"g,QqDD
{ cdH`#X
typedef T & result; -gC%*S5&
} ; ho~WD'i
template < typename T1, typename T2 > L{&1w
struct result_2 gMq;
{ ,g?M[(wtc
typedef T2 & result; 0e]J2>
} ; >b3IZ^SB#$
template < typename T > >dF #1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const { i3x\|
{ <b\.d^=B
return (T & )r; ;YQ6X>
} Yu&\a?]\2
template < typename T1, typename T2 > FU}- .Ki
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const QJkiu8r
{ F3Da-6T@
return (T2 & )r2; _3f/lG?&-
} 1uA-!T*e>
} ; Ly, ];
JPT&!%~
U'5p;j)_
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> >。 Sqmjf@o$>
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: kIt1k w
首先 assignment::operator(int, int)被调用: PiR`4Tu
tC f@v'1t
return l(i, j) = r(i, j); p{r{}iYI
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) D,-L!P
T_)+l)
return ( int & )i; r`u 9MJ*
return ( int & )j; !
c~3 `7v
最后执行i = j; Z,XivU&
可见,参数被正确的选择了。 FEa%wS{
Mwj7*pxUh
{Y]3t9!\
N;m62N
p<@+0Uw2
八. 中期总结 GBd
mT-7
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: &w%%^ +n
|
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ;lTgihW-
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 <_bGV
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor =*y{y)B^g
!a5e{QG0
9@Z++J.^y
S |@
Y !
7#T@CKdUd
&.0 wPyw
九. 简化 ROfke.N\'
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 3i}$ ~rz]U
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 _1$+S0G;
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: F20%r 0
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 L#IY6t
+-*/&|^等 XT==N-5,
2. 返回引用。 xxdxRy9/
=,各种复合赋值等 1BzU-Ma
3. 返回固定类型。
DshRH>7s8
各种逻辑/比较操作符(返回bool) E@="n<uS
4. 原样返回。 FEA/}*2F
operator, <@@@Pl!~
5. 返回解引用的类型。 hM(Hq4ed,
operator*(单目) Qcs0w(
6. 返回地址。 etP`q:6^c
operator&(单目) FFF7f 5F
7. 下表访问返回类型。 $:D hK
operator[] Y:'c<k
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 jLul:*
L
operator<<和operator>> u/?;J1z:
P(zquKm
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。 B"RZpx
例如针对第一条,我们实现一个policy类: iF+50d
jin?;v
template < typename Left > r3Ih]|FK#
struct value_return ve=1y)
{ YjG:ECj}
template < typename T > sWLH"'Z
struct result_1 !un_JZD
{ =(5}0}j
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; QV%eTA
} ; zhwajc
Nx(y_.I{K
template < typename T1, typename T2 > Zxv{qbF
struct result_2 ;|K(6)
{ W}oAgUd
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; VoUAFEcs
} ; `qbsDfq@
} ; Tq >?.bq9
<