一. 什么是Lambda }VWUcALJV
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 US's`Ehx
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, C_;nlG6
VNz?e&>
_ZJQE>]nWu
Nz"K`C>/
class filler %c$|.TkX
{ `o9:6X?RA
public : @ZYJY
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 9;n*u9<
} ; rkh%[o9"/
.`u8(S+
Bk~lM'
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: %H_-`A`
qfAnMBM1@
O,+9r_Gh
o3GZcH?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Nv0a]Am
PGZe'r1E9
SH"<f_
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 {&Rz>JK
r.u\qPT&
2u0B=0x
ETX>wZ
二. 战前分析 AL&<SxuP
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 :%28*fl
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 jL)Y'
5Uhxl^c
GaJE(N
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); VqD_FS;E
/* --------------------------------------------- */ f]sR4mhO
vector < int *> vp( 10 ); iz [IK%K
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); |"b|Q
/* --------------------------------------------- */ M/xm6
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); WcXNc`x
/* --------------------------------------------- */ ,\\=f#c=
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); <)_#6)z:
/* --------------------------------------------- */ %PPy0RZ^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); k^KpQ&n
/* --------------------------------------------- */ D;48VK/Q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); >#;_Ebl@
2w~Vb0
8"LM:0x
[EVyCIcY,h
看了之后,我们可以思考一些问题:
C>-}BeY!
1._1, _2是什么? S,,Wb&A$
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。 W?N+7_%'
2._1 = 1是在做什么? _TJkYz$
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。 uHZjpMoM
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。 'm<L}d
VD!PF'
xudZ7
三. 动工 .'l3NV^{
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: C=K{;.
1n*"C!q
bz,"TG[
=_6 Q26
template < typename T > yk^2<?z>2
class assignment 64y9.PY
{ gC%$)4-:
T value; cdI"=B+C\
public : c>r~pY~$
assignment( const T & v) : value(v) {} b;vVlIG
template < typename T2 > 2>J;P C[;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } XfEp_.~JM
} ; y+7+({w<
R+U*]5~R
U(~Nmo'
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 *y+K{ fM1
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment m<;MOS
ulEtZ#O{_
3+C;zDKa
+,i_G?eX
class holder QD-Bt=S7l
{ {q&`B
public : 6aAN8wO;b
template < typename T > $fPiR
assignment < T > operator = ( const T & t) const 3EA_-?
{ OzxiT +
return assignment < T > (t); Un+- T
} w8KxEV=
} ; ;?-{Uk
p lzwk>b_
Hg\H>Z
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: xkkG#n)
hPKutx
static holder _1; 0G'v4Vj0'
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 sAK&^g
dJb7d`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); l{kacfk#
而不用手动写一个函数对象。 i4SWFa``
M%!j\}2A
mkgL/h*
K|;L{[[yH
四. 问题分析 .Rb4zLYL*w
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 AO7X-,
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 7 lq$PsC
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 J|z ' <W
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 x;4m@)Mu
下面我们可以对这几个问题进行分析。 g ZES}]N
xKT;1(Mk
五. 问题1:一致性
ILHn~d IC
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?| o
7V&HJ[
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 5["n] i
((BdT:T\_
struct holder pC&i!la{o}
{ 09iD| $~
// [eDRghK
template < typename T > g)<[-Q1
T & operator ()( const T & r) const / pGx!
{ i-sm 9K'ns
return (T & )r; k6;pi=sYNW
} $7Tj<;TV
} ;
@3I?T
Q1
4LJOT_
这样的话assignment也必须相应改动: a=[|"J<M
1u*
(=!
template < typename Left, typename Right > X(]J\?n'
class assignment 6fT^t!<i
{ I(9+F
Left l; |A H@W#7j
Right r; \J6e/ G
public : AUaupNN
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} $BOIa
template < typename T2 > 25;`yB$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } X(>aW*q
} ; D6P/39}W
Z~"8C Kz
同时,holder的operator=也需要改动: 7P52r
'f.5hX(Y
template < typename T > u/`x@u
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const NE@P8pQ>
{ 9H%ixBnM
return assignment < holder, T > ( * this , t); =mxj2>,&
} "W"r0"4
*MN("<A_
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。 t\ 9Y)d
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 }sfvzw_
M
!rw!,g
return l(rhs) = r; gf,[GbZ
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。 ZZ].h2=K
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: G;AV~1i:~
!j0iLYo(*
template < typename Tp > &Qv%~dvW
class constant_t u z:@
{ )Mw 3ZE92
const Tp t; 7$:Jea
public : MV?sr[V-oP
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} +AOpB L'
template < typename T > <)gTi759h)
const Tp & operator ()( const T & r) const
&y7~
{ dQ Ao~]B
return t; M[&p[P@
} 2AjP2
} ; x=44ITe1n[
p"NuR4
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ;BEX|wxn
下面就可以修改holder的operator=了 CWE^:kr6
0h"uJco,
template < typename T > i#Fe`Z ~J
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const fR lJ`\ t
{ CSE!Abg
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 9/5EyV
} tkhEjTZ
-k3WY&9,
同时也要修改assignment的operator() ]8XIw`:f
zS}!87r)
template < typename T2 > @<p9O0
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 3T@`VFbE
现在代码看起来就很一致了。 J2$=H1-
I,?!NzB
六. 问题2:链式操作 7FP
@ v ng
现在让我们来看看如何处理链式操作。 +|spC
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。 ; 5!8LmZ0#
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。 ;:ocU?
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。 +
oNrc.
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ^|%7}=e
vP/sG5$x
template < typename T > +D#.u^
struct result_1 wafws*b%
{ `>{S?t<
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; yTU'voE.|
} ; SQf.R%cg$
a~`,zQ -@
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: %A;s3]V
BKW%/y"
template < typename T > S L~5[f
struct ref Z4PAdT
{ 7e<\11uI]a
typedef T & reference; ~ePtK~,dv
} ; _v=zFpR
template < typename T > \1#!%I=.
struct ref < T &> AKKVd%
P(
{ [{rne2sA
typedef T & reference; q&EwD(k
} ; N+ ei)-
LwEc*79
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ]4&B*]j
A,GJ6qp3
template < typename T > z_9qT"vF
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ^p #bxN")
{
1O@cev;
return l(t) = r(t); hHqsI`7c
} ~=pyA#VVJ"
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-qpuI;f
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 W:=CpbwENX
ZY> u4v.
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 ;F>I+l_X
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Y]HtO^T2
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 0:k
MnHn\
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0XrOOYmx
最后的布局是: ))#_@CwRr
Add [wjH;f>SQ
/ \ *",
BP]]
Divide 5 kv?j]<WN
/ \ 3x~AaC.j
_1 3 15`,kJSK
似乎一切都解决了?不。 }zV#?;}
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。 Ty"=3AvRLV
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。 k.w}}78N2N
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: Xw9"wAj
9 kS;_(DB
template < typename Right > <<9Y=%C+
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 3 p9LVa
Right & rt) const I}7=\S/@
{ wi-{&
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); qt#4i.Iu+
} %p.hwgvnp
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 0i9C\'W`
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。 7)+%;|~
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。 >R8eAR$N
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。 qy~@cPT
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。 9mH+Ol#(
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? l j*J|%~
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(f&0h
!
cdsF<tpy
template < class Action > "]{"4qV1=
class picker : public Action 8\ WOss)al
{ ^Dhu8C(
public : G,b1 u"
picker( const Action & act) : Action(act) {} e.^Y4(
// all the operator overloaded DM@&=c
} ; $ *^E
Q\<^ih51
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。 wPU<jAQyp
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: |{@_J
-)ag9{ *
template < typename Right > ='|HUxFi
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const VNLggeX'U
{ n`)wD~mk
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Zr@G
} PyfOBse}r
`` mi9E
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 1f`=U0
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。 #>byP?)n
{^n\
r^5
template < typename T > struct picker_maker 0NWtu]9QC
{ cxQ8/0^
typedef picker < constant_t < T > > result; p~THliwd
} ; 6
bnuC
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > &OSyU4r
{ tpi>$:e
typedef picker < T > result; spt='!)4
} ; Ev;ocb,
Yl6\}_h`
下面总的结构就有了: ~_Mz05J-\_
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 :-kXZe
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 IW'2+EGc
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 f@a@R$y
至此链式操作完美实现。 R9z^=QKcH
)vFZl]
(e;9,~u)
七. 问题3 P>t[35/1
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。 U)N_/
6|D,`dk3U
template < typename T1, typename T2 > VX;tglu2
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const %Sdzr!I7*
{
b(~
gQM
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); h}_1cev?
} 8oj-5|ct
H -,RzL/
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: ){oVVLs
W}5 H'D
template < typename T1, typename T2 > _(8HK
struct result_2 vYNh0)$%F
{ r.:H`
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 8\^[@9g3\3
} ; =Gq
'sy:h
k(;c<Z{?1
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? ^f,('0p->
这个差事就留给了holder自己。 XHlx89v7
+$+'|w
n'#(iW)f
template < int Order > L.xzI-I@D
class holder; L_rKVoKjt
template <> 7^J-5lY3S
class holder < 1 > i%~4 >k
{ WM}bM]oe
public : x6ig,N~AO
template < typename T > f9FsZD
struct result_1 hsQrHs'k
{ ?eb2T`\0Q
typedef T & result; a]465FY
} ; "]nbM}>
template < typename T1, typename T2 > ~qiSkG
struct result_2 F62arDA
{ S{NfU/:
dL
typedef T1 & result;
U!-|.N,
} ; pAV}hB
template < typename T > <L__;j1Wx
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 1b'1vp
{ WQ]~TGW
return (T & )r; 8<t?o'9I
} <&o
`T4
template < typename T1, typename T2 > .O'gD.|^N
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const <)]B$~(a
{ Nky%v+r
return (T1 & )r1; 5}R/C{fs
} BcT|TX+ct
} ; d%9r"=/
NdQXQa?,
template <> G2k r~FG
class holder < 2 > 4\?I4|{pC
{ ujcNSX*
public : PL8eM]XS
template < typename T > 6!i0ioZzi0
struct result_1 ~`M GXd"o
{ `\&qk)ZP
typedef T & result; HPT9B?^
} ; h.QKbbDj
template < typename T1, typename T2 > ,7pO-:*g
struct result_2 1GW=QbO 6
{ XQk9 U
typedef T2 & result; 0X)'8N
} ; %+G/oF|
template < typename T > hSD)|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 8jjJ/Mz`
{ -{ZTp8P>
return (T & )r; AdB5D_ Ir
} .l*]W!L]
template < typename T1, typename T2 > CPGXwM=
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const e@L'H)w,
{ h2KXW}y"4
return (T2 & )r2; 6kjBd3
} Gr#p QE2;
} ; UsYH#?|O
5RTAM
o"v>
BhpC
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 LIVVb"V|,
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: /PIU@$DV
首先 assignment::operator(int, int)被调用: A"C%.InZ
Xig+[2zS
return l(i, j) = r(i, j); 7BF't!-2F
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ^$_a_ft#
9\Mesf1$o
return ( int & )i; FQ?H%UcW
return ( int & )j; xN}P0
最后执行i = j; g=[ F W@z
可见,参数被正确的选择了。 q!<`ci,uS
DSy,#yA
&tQ,2RT
'mug,jM
,I@4)RSAH|
八. 中期总结 "^<:7 _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: Qkk~{OuC
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 :H\6wJ
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 z0HCmj9T
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor mw`%xID*
8R:H{)o~s}
` /]8C&u
=X>3C"]
+&a2aEXF
ygUvO3Z
九. 简化 rP;Fh|w#
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。 3T Q#3h
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ,vW.vq<{q3
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: =YZp,{T
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Sd^e!?bp
+-*/&|^等 $z{HNY*2
2. 返回引用。 *u7C){)gr[
=,各种复合赋值等 8+
B. x
3. 返回固定类型。 bg_Zf7{
各种逻辑/比较操作符(返回bool) UY{
Uo@k9x
4. 原样返回。 {*t'h?b
operator, Fm,A<+l@u
5. 返回解引用的类型。 xwT"Q=|kW
operator*(单目) .rG Rdb
6. 返回地址。 Ua V9T:)x
operator&(单目) Nf0b?jn-
7. 下表访问返回类型。 /n?5J`6
operator[] **-%5~
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 v2EM| Q xp
operator<<和operator>> w>H!H6Q
\fU{$
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。 x7Ly,
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ILF"m;
MJV&%E6{:{
template < typename Left > c2?(.UV
struct value_return yKOf]m>#
{ 5&2=;?EO
template < typename T > m]N4.J
struct result_1 9qQ_#$Vv
{ t wtGkkC
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; A0O$B7ylQ
} ; ;-^WUf|
%'4dgk
template < typename T1, typename T2 > jDgiH}
struct result_2 ^bL.|vB
{ !j %)nU
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; @/anJrt
} ; 0gO2^m)W
} ; mkj`z
f>ED
^o:0 Y}v=
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait *M+:GH/5
8xg:ItJaA0
下面我们来剥离functor中的operator() bMkn(_H)\
首先operator里面的代码全是下面的形式: <LZvG IMl
3{on$\
return l(t) op r(t) IH[/fd0
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 8dIgw
return op l(t) i]hFiX
return op l(t1, t2) Yq`r>g
return l(t) op #5G!lbH
return l(t1, t2) op [ "J
return l(t)[r(t)] l+R-lsj
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] uA:;OM}
N<