一. 什么是Lambda / L8=8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
t|DYz#]
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, 0?sp
Aws
TDM
^YZ#P0 y
zBR]bk\
class filler Dx%fW`
{ ;g*6NzdA
public : x/<.?[A
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 7> Qt O
} ; 5-QXvw(TH
~!OjdE!u
U#P#YpD;==
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: "8X+F%
ij),DbWd
G#*;3X$
ro{MDs
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); x1et,&,
>j?uI6Uw
G#C)]4[n
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 hU{%x#8}lK
U|QDV16f
|g{AD`
'37b[~k4
二. 战前分析 :[&X*bw[
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。 "8I4]'
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 T_dd7Ym'8
\NqC i'&
D.e*IP1R
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ZjK~s)RC
/* --------------------------------------------- */ 90!Ib~7zH
vector < int *> vp( 10 ); L5W>in5(
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); S7vE[VF5
/* --------------------------------------------- */ one>vi`=
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); `4qKQJw
/* --------------------------------------------- */ yiq#p"Hs
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); :KLD~k7yA(
/* --------------------------------------------- */ (r4\dp&
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); dw|0K+-PH
/* --------------------------------------------- */
"gz;Q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ;~J~g#
df'g},_
L9@jmh*E
UK,P?_e
看了之后,我们可以思考一些问题: :Mk}Suf&H
1._1, _2是什么? [1U_c*;i
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。 DvCt^O*
2._1 = 1是在做什么? a6d KQ3D
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。 I'C,'
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。 :Eyv= =
5,Y2Lzr
M=A9ax
三. 动工 >e ;f{
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: O~el2
Q:\hh=^
bRK9Qt#3
Tjqn::~D
template < typename T > B .mV\W
class assignment M}Mzm2d#`
{ *@nUas2"
T value; ?s]`G'=>V`
public : JPG!cX%
assignment( const T & v) : value(v) {} [
UJj*n
template < typename T2 > )QD}R36Ic
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } C.-a:oQ[
} ; o{p_s0IX;S
Hi9z<l=$
9_3M}|V$^e
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 &?6w2[}
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment rE:>G]j6
{)qP34rM
~tvoR&{I
~~,<+X:
class holder >lmL
{ P1n@E*~V5
public : _O%p{t'q<
template < typename T > DG=Ap:sl*$
assignment < T > operator = ( const T & t) const h :R)KM
{ rUjr'O0
return assignment < T > (t); Pa +BE[z
} ,m,vo_Ub
} ; `t&;Yk]-L
C5UDez
S+Yg!RrNqj
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: (K6StNtN
($>0&w
static holder _1; ;7k7/f:
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 rgKn=8+a
RzQS@^u*F0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); w>_EM&r6~u
而不用手动写一个函数对象。 zP}v2
)6^xIh
w.p'Dpw
t8 "-zd8
四. 问题分析 "lf3hWGw
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 jqWvLBU!
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ~+yo;[1Yc
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 wf%Ep#^6}
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 A>A'dQ69
下面我们可以对这几个问题进行分析。 >r3< O=Z7
5Suc#0y
五. 问题1:一致性 ot#kU 8f
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 79g>7<vp
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 0f/!|c
,
% jTXb
struct holder oH0F9*+W
{ d/rz0L
// LW5ggU/
template < typename T > 6 JYOe
T & operator ()( const T & r) const Gw^=kzh
{ F5P{+z7
return (T & )r; D
;$+] 2
} Zb;$ZUWQX
} ; 3>)BI(Wl
Lu.tRZ`$38
这样的话assignment也必须相应改动: $i~`vu*
y/hvH"f
template < typename Left, typename Right > v=1S
class assignment i!x5T%x_
{ @|%ICG c
Left l; | V,jd
Right r; ~j#6 goKn
public : [(EH
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }AZx/[k
|z
template < typename T2 > *[:CbFE0y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Yka&Kkw
} ; kTc5KHJ7
F{~r7y;0
同时,holder的operator=也需要改动: BV?N_/DXp
e7qMt[.
template < typename T > f?zK"
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ]Wt6V^M'@
{ )wv[!cYyW
return assignment < holder, T > ( * this , t); ]V^.!=gh$
} 6v O)s!b
6-14Htsk6
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。 4Olv8nOe<
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 h=r<
B\Pa
]G~N+\8]U
return l(rhs) = r; QYw4kD}
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。 xh^ZI6L<
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: /M*\t.[ 46
8;f<q u|w
template < typename Tp > PG[O?l
class constant_t {)9HS~e T
{ N<"6=z@w+
const Tp t; RdvTtXg
public : 6ri?y=-c
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} c&?a,fpb
template < typename T > m3Z}eC8LK
const Tp & operator ()( const T & r) const X8n/XG ~_
{ &t|V:_?/x
return t; AYu'ptDNr
} G^@Jgx3n
} ; Mth`s{sATa
@j2*.ee
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 HT=Am
下面就可以修改holder的operator=了 mYOdBd
)LrCoI =|
template < typename T > ( WtE`f;Q
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const +\[![r^P
{ `e'o~oSu
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); pMZf!&tM
} $F`<&o
)bXx9,VL
同时也要修改assignment的operator() Fif^V
h)l&K%4;
template < typename T2 > cc(r,ij~4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } sa(M66KkU
现在代码看起来就很一致了。 -WBz]GW4r
xnuv4Z}]t
六. 问题2:链式操作 mc=!X
现在让我们来看看如何处理链式操作。 4OZ5hH
h
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。 mx(%tz^t
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。 QDgEJ%U-
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。 QD;f~fZ
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Nk7e iQ
MD
?F1l"}%
template < typename T > X)iWb(@k"7
struct result_1 $x_52 j\j
{ LVFsd6:h
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; uyRA`<&w
} ; Re,$<9V
s!;VUr\
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: MLD>"W
"kBqY+:Cn
template < typename T > P2Qyz}!wo
struct ref _?]BVw
{ 0.BUfuuh
typedef T & reference; &kjwIg{
} ; fzFvfMAU
template < typename T > @FdCbPl$
struct ref < T &> JfP\7
{ @+\S!o3m
typedef T & reference; 4>"cc@8&~
} ; 4lh
p-'6_\F.Ke
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: NzeI/f3K5
'f?&EsIV?
template < typename T > eFj6p<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const _z(5e
{ o&XMgY~
return l(t) = r(t); w^'?4M!
} _[{:!?-?
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。 ,7fc41O3V
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 '=Kof1
C/CfjRzd
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 gR-Qj
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: [#>$k
6F*
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ZP63Alt
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 o,Tr^e$
最后的布局是: _+Jf.n20
Add |1QbO`f/F
/ \ dp[w?AMhM9
Divide 5 B/sBYVU
/ \ [*?_
_1 3 rxy{a
似乎一切都解决了?不。 |:e|~sism
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。 H?`)[#
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。 +F7<5YW&(
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: 3?*M{Y|
l\=-+'Y
template < typename Right > NHFEr
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Bd[L6J)
Right & rt) const CmJ?_>
{ pg?i F1
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); pe!dm}!h[
} C'8!cPFVv
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 rZ!Yi*? f
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。 m,@1LwBH
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。 F[7Kw"~J
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。 d@D;'2}Yc
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。 X@yr$3vC
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ;X$q#qzN#
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: o/dMm:TF
W) 33;E/}
template < class Action > K{zCp6
class picker : public Action `dgM|.w5=
{ !O F?xW
public : V{T{0b"\U
picker( const Action & act) : Action(act) {} h"PS-]:CD
// all the operator overloaded `
Y{>2UFX
} ; { p!_-sL
joChML_
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。 O/DAf|X|
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: mZbWRqP[|_
7ZV~op2Q
template < typename Right > yNrinYw
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const dcl.wD0~V
{ J+}+"h~.
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); {ywXz|TP
} wUK7um
o9m
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > bSrRsgKvT
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=Zl&1
lJ:M^.Em0
template < typename T > struct picker_maker d`9W
{ jF38kj3O7
typedef picker < constant_t < T > > result; c?!YFm
} ; /lS+J(I
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > /B,:<&_-
{ RHwaJ;:)#
typedef picker < T > result; =mHkXHE~:
} ; yHWi[7$
KMK&[E#r
下面总的结构就有了: IU Y> ih
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。 "K|)<6J
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。 @,x_i8
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 6%gB
E
至此链式操作完美实现。 Gh]_L+
hncS_ZA
Y8)E]D
七. 问题3 p~Hvl3SxR
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。 F-BJe]
N+CXOI=6x
template < typename T1, typename T2 > NI5]Nz<?
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ?~"`^|d
{ ^w:OS5 %R
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 5q|+p?C
} 5:Yck<
c Ndw9?Z
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: .7
(DxN
j>0<#SYBu
template < typename T1, typename T2 > ?w+ QbT
struct result_2 QP6z?j.
{ ?Yq J.F;
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; w`c0a&7
} ; \4h>2y
w=f0*$ue+w
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? |Z`M*.d+
这个差事就留给了holder自己。 tmO;:n<N
)Qh>0T+(
cS<TmS!
template < int Order > G1kaF/`O
class holder; Z69+yOJI
template <> uP{;*E3?
class holder < 1 > X}oj_zsy;^
{ rQ9*J
public : T*h!d(
template < typename T > D4< -8
struct result_1 )Vwj9WD
{ S5i+vUI8C
typedef T & result; _ Ry_K3K
} ; %&^Q(f
template < typename T1, typename T2 > 6m4Te|
struct result_2 rr |"r
{ j~M#Ss-H8
typedef T1 & result; I3Lg?bZ
} ; \\=.6cg<K
template < typename T > CJzm}'NY
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const s~S?D{!
{ NTqo`VWe
return (T & )r; %x&F4U
} dCB&c^
template < typename T1, typename T2 > JNh=fvO2i
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^C!mCTL1N
{ K*_-5e
return (T1 & )r1; ]e^R@w
} ,LhEshf
} ; TE3*ktB{N
2q)T y9
template <> @Z?7E8(
class holder < 2 > 6fh{lx>
{ yZq?B
public : LO"_NeuL
template < typename T > B;VH `*+X
struct result_1 >&bv\R/
{ )T>8XCL\}
typedef T & result; 82lr4
} ; \X&]FZ(*
template < typename T1, typename T2 > @u,+F0Yd
struct result_2 KwS`3 6:
{ iJ}2"i7M
typedef T2 & result; m&Lt6_vi
} ; Z.!g9fi8>
template < typename T > egfi;8]E
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Osnyd+dJY
{ E]NY
(1
return (T & )r; f%c06Un=
} "X`RQ6~]>
template < typename T1, typename T2 > BsKbn@'uC
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const xJ-*%'(KZ
{ 1Yud~[c
return (T2 & )r2; cn$5:%IK
} ji}#MBac
} ; ASR-a't6
wTTRoeJ}
9hy'DcSy,
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 XM$GQn]B
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ;v_ls)_,-
首先 assignment::operator(int, int)被调用: */nuv
k
o~= iy
return l(i, j) = r(i, j); s3seK6x'
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ! Q!&CG5l
i<mevL
return ( int & )i; 3c b[RQf
return ( int & )j; =nzFd-P
最后执行i = j; %*6RzJO6
可见,参数被正确的选择了。 sc%dh?m7
`4LJ;KC(
KGu= ;
`qE4U4
J;~E<_"Hn
八. 中期总结 N r<9u$d9=
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: TFO74^
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 i-b1d'?Rb
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 CJp-Y}fGEA
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ZPlPN;J^1
Twx{' S
H<,bq*@
Uj,g]e8e
*6XRjq^#
EY~7oNfc`R
九. 简化 !
tGiTzzp
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 UxeL
cUP
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 y1iX!m~)
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: ?;^5ghY$
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 (k8Z=/N~
+-*/&|^等 /_q#ah
2. 返回引用。 bo1I&I