一. 什么是Lambda ]pTw]SK
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 '?3z6%
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]f^`2L!8>
fYM6wYJ
(H%d]
CVG>[~}(9'
class filler EFt`<qwj
{ <`UG#6z8
public : nYt\e]3
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} T&"dBoUq>G
} ; _D,f4.R
mX.3R+t
I4f
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: Mq lo:7
^F
@EOR]^?!]
M2P@ &
]O=S2Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); -<JBKPtA
[*{\R`M
+xBK^5/x
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 #Y>%Dr&
VSpt&19
wW! r}I#
X+E\]X2
二. 战前分析 Dke($Jr{
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 V0
+k3H
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 6aZt4Lw2\
yki51rOI*
3_*Xk.
.d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Etc?; Z[F#
/* --------------------------------------------- */ %i
-X@.P
vector < int *> vp( 10 ); ^ lc}FN
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :`u&TXsu
/* --------------------------------------------- */ K[>@'P}y
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); UtBlP+bE?y
/* --------------------------------------------- */ i,Wm{+H-O
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 3s_k>cO=
/* --------------------------------------------- */ Q}?N4kg
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Xm=^\K3
/* --------------------------------------------- */ f,HzrHax
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); io r [v
?}3PJVy?
m{$tO;c/Q
%3c|
看了之后,我们可以思考一些问题: H(G^O&ppdB
1._1, _2是什么? ~d7Wjn$@
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。 {qtc\O
2._1 = 1是在做什么? { .3
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。 l^UJes!
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。 7?!Z+r
-Xxu/U})%
k4F"UG-`
三. 动工 IgiF,{KE,
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: DR yESi
PVD ~W)0m*
?%xhe
sE%<"h\_0
template < typename T > "H="Ip!s
class assignment 0fPHh>u
{ `f6)Q`n
T value; $v'Y:
public : Ueg N-n
assignment( const T & v) : value(v) {} JXLWRe
template < typename T2 > kBiBXRt
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } l'7Mw%6{
} ; 1ntkM?
!V]MLA`
L;--d`[
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 }6CXJ+-UR
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment N;x<| %peL
.qIy7_^
6_%]\37_Z
si^4<$Nr%j
class holder Z`oaaO
{ Od!F: <
public : eN]>l
template < typename T > )zW%\s*'
assignment < T > operator = ( const T & t) const n-hvh-ZO
{ [<Os~bfOv
return assignment < T > (t); ia^%Wg7
} Q$fRi[/L
} ; *TM;trfz
ksu}+i,a
'6o`^u>
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: hEv=T'*,K)
CP]S-o}yd
static holder _1; k'@7ZH
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 z;y^t4
^9
ljYpMv.>xG
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); aVppOxA
而不用手动写一个函数对象。 -3G 4vRIo
97(Xu=tX
S$jV|xKB
<}EV*`w4
四. 问题分析 B?;' lDz*
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。 -Wlp=#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。 ]> )u+|
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 C(V[wvL
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 JQ"`9RNb
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Xq,UV
BKC7kDK3H
五. 问题1:一致性 <?LfOSdMs^
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?| 4fw1_pv_D
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 @e!Zc3
xb9Pc.A[
struct holder &o*s !u
{ t;.^K\S4
// @K$VV^wp
template < typename T > %@lV-(5q
T & operator ()( const T & r) const Lj&1K~U
{ n5Nan
return (T & )r; :!JpP
R5
} ]6t]m2~\
} ; k_D4'(V:b
4<G?
这样的话assignment也必须相应改动: 7Wwp )D
~A`&/U
template < typename Left, typename Right > HzRX$IKB3(
class assignment ?Oy'awf_
{ [=F>#8=
Left l; W.,% 0cZ
Right r; R^J.?>0
public : ,4^9cFVo
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Iv$:`7|crX
template < typename T2 > q&XCX$N
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } M.ZEqV+k
} ; jWH{;V&ZV
f^W[;w
同时,holder的operator=也需要改动: E?3 0J3S
1Pk mg%+
template < typename T > =\~E n5
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const r0\cc6
{ ?EI'^xg
return assignment < holder, T > ( * this , t); op hH9D
} f._l105.
uiktdZ/f
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。 vk
@%R
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 1)TK01R8
$%7I:
return l(rhs) = r; 8tb6 gZz
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。 yicO!:bM
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: )Y3EQxXa
([:]T$0 #
template < typename Tp > t"<s} ~
class constant_t I
jZ]_*^!
{ $_Y/'IN`k
const Tp t; -1qZqU$h
public : qqnclqkw&
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} hi!L\yi
template < typename T > Y,k(#=wg
const Tp & operator ()( const T & r) const
-Y*VgoK%
{ u~s
Sk
return t; iO!27y
} weNzYMf%
} ; "pt+Fe|@c;
Dt.0YKF
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 CF]i}xpWV
下面就可以修改holder的operator=了 P DRnW
T}C2e! _O
template < typename T > 7#QLtU
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const OnZF6yfN=3
{ b,nn&B5@{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); OE_QInb<
} q`XW5VV{K
7FAIew\r
同时也要修改assignment的operator() k*5'L<&
p6`Pp"J_tr
template < typename T2 > z< z*Wz
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 0y)}.'
现在代码看起来就很一致了。 o4$Ott%Wm
gfi
AK%
六. 问题2:链式操作 KX!i\NHz
现在让我们来看看如何处理链式操作。 R)ERxz#
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 l0I}&,+
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 vt//)*(.$
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。 ujU=JlJ7dl
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct g %f*ofb
z9[[C^C
template < typename T > Y RPm^kW
struct result_1 7 _`L$<-n
{ J , V
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; pgT9hle/
} ; [`d$X^<y;
p8Iw!HE
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: yQ9ZhdQS
Mtm/}I
template < typename T > # kyl?E
struct ref oBr.S_Qe
{ ][,4,?T7
typedef T & reference; BT]ua]T+
} ; 0o;O`/x
template < typename T > !=3Rg-'d1
struct ref < T &> Guh%eR'Wt
{ rz6uDJ"
typedef T & reference; :p' VbQZ{
} ; \#CM
<%
Mi ; glm
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: wJgX/W
n-$VUo
template < typename T > -D^L}b
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const EFAGP${F
{ =+Im*mgNn
return l(t) = r(t); h{k_6ym
} h4/X
0@l`
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。 tAjx\7IX
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3\AM=`
.e@>
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 LOr|k8tL%
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: b;#\~(a
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 3o*FPO7?
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 5o#Yt
最后的布局是: FW8-'~
Add 'CXRG$D
/ \ %K(0 W8&
Divide 5 1j0 -9Kg'
/ \ z>;$im
_1 3 JQ@fuo %
似乎一切都解决了?不。 Gih[i\%Q
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。 _tAQ=eBO
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。 &-%X:~|:X
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: P}V=*g
Y#FO5O%W
template < typename Right > +E/y ~s
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Q6IQV0{p
Right & rt) const *#y;8
{ JqCc;Cbd
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); /-4$7qd
} oE?QnH3R
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 3xNMPm
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Q$ri=uB;+
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。 [3N[i(Wlk
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。 /RT%0!
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。 p_{("zQ
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? O oSb>Y/4
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: ]"F5;p;y
/qU>5;
template < class Action > 1zftrX~v!X
class picker : public Action ~9=aT1S|
{ w8iR|TV
public : ]XeO0Y
picker( const Action & act) : Action(act) {} C5W>W4EM
// all the operator overloaded b.F^vv"]]
} ; Vw#{C>
v>A=2i*j
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。 f[sF:f(zI
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: DNkWOY#{
eKN$jlg
template < typename Right > Bfr'Zdw
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const iWLa> z|,
{ ]XA4;7
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,FZT~?
} 06*rWu9P3
:q#K} /
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Y[Ltrk{
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 9}29&O
BVw Wj-,
template < typename T > struct picker_maker (k`{*!:1a
{ &|Pu-A"5~
typedef picker < constant_t < T > > result; Xm1[V&
} ; cK`"lxO
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > q
o 1lj"P
{ HKO739&n}
typedef picker < T > result; !@A#=(4R4
} ; {/<6v. v
7=XL!:P
下面总的结构就有了: RDM`9&V!jp
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 c+dg_*^
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 <#+44>h
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 WO</Mw
至此链式操作完美实现。 LN2D
<3okiV=ox
^pnG0(9
七. 问题3 zsXoBD\h
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 wnLi2k/Dt<
m-/j1GZ*
template < typename T1, typename T2 > :-`7Q\c }
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const r\`+R"
{ Jb["4X;h
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); H ?M/mGP
} o*g|m.SjL
}!>=|1fY
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: &PWB,BXv
X"fh@.
template < typename T1, typename T2 > [&?8,Q(
struct result_2 w$Ot{i|$(
{ ,m=4@ofX
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; -fI@])$9J
} ; *Vw\'%p*
8qEK+yi,
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? 6
sxffJt
这个差事就留给了holder自己。 ^! 8P<y
$,>@o=)_
b6(p
template < int Order > ]iNEw9
class holder; 3]&o*Ib1`_
template <> evA/+F,&
class holder < 1 >
qFQ8
{ l`-bFmpA
public : u{N,Ib
8
template < typename T > U$dh1;
struct result_1 h].~# *
{ VdSv
typedef T & result; WKz>
!E%
} ; 9`//^8G:=
template < typename T1, typename T2 > -u!FOD/
struct result_2 `1OgYs
{ >>i@r@
typedef T1 & result; A5'NGt
} ; k67a'pmyJ
template < typename T > wa=uUM_4u^
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 3@Z#.FV~C[
{ 7R#+Le)
return (T & )r; _p-t<ytnh
} vsWHk7 9
template < typename T1, typename T2 > E37<"(;
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const W|:lVAP.|}
{ Rm1A>1a:
return (T1 & )r1; A\_ |un%
} +
b$=[nfG
} ; -x8nQ%X
p!O(Y6QM
template <> }]n$ %g(
class holder < 2 > +Q=1AXe
{ `LAR@a5i
public : l
{jmlT
template < typename T > ?{w3|Ef&
struct result_1 h_1T,f(
{
c gzwx
typedef T & result; G0u LmW70
} ; CC\*?BKj"
template < typename T1, typename T2 > '0y9MXRT
struct result_2 "<_0A f]
{ iRg7*MQu
typedef T2 & result; DypFl M*
} ; i
wxVl)QL
template < typename T > ay "'#[
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \I"Z2N>^z
{ ]?x:
Qm'yo
return (T & )r; \0lnxLA
} *BuUHjTv
template < typename T1, typename T2 > @/ZF` :
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const g;$Xq)Dd
{ ;S0Kh"A
return (T2 & )r2; LK6; ?m
} }ENR{vz$A
} ; 8Og_W8
%AOja+
I$E.s*B9
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ~%?`P/.o
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: C2Xd?d
首先 assignment::operator(int, int)被调用: jM-)BP6f4
&E xYXI
return l(i, j) = r(i, j); x+f2GA$
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 5JEbe
DvvT?K
return ( int & )i; `n$5+a+
return ( int & )j; :l|%17N
最后执行i = j; '47P|t
可见,参数被正确的选择了。 2I*;A5$N1
fDG0BNLY
lds-T
xI>A6
&Tl
0Pf
八. 中期总结 ^rvx!?zO
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: O6IB.
>T
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 E0`Lg
c
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 dl hdsj:
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor >^XBa*4;Y
P/EM :
J|'7_0OAx
Fu&EhGm6
L\y;LSTU
6c^e\0q
九. 简化 asY[8r?U
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。 \(t@1]&jw
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 u7?$b!hG^C
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: CR6R?R3b
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 P!"&%d
+-*/&|^等 6mKjau{r_
2. 返回引用。 )_/5*Ly@
=,各种复合赋值等 bdGIF'p%
3. 返回固定类型。 [D*UT#FM
各种逻辑/比较操作符(返回bool) @as"JAN
4. 原样返回。 @+ atBmt
operator, Q#nOJ(KV
5. 返回解引用的类型。 ,V*%V;
operator*(单目) R+&jD;U{
6. 返回地址。 !Hys3AP
operator&(单目) x\Z'2?u}
7. 下表访问返回类型。 5)
-~mWy
operator[] 2tal
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ^pJ!isuqu
operator<<和operator>> `7/Y@}n
hWH:wB
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 :1Q!$ m
例如针对第一条,我们实现一个policy类: a{{g<<H
keB&Bjd&
template < typename Left > UQB"v3Z
struct value_return a33TPoj
{ Duc#$YfGm
template < typename T > oh$Q6G
struct result_1 u|4$+QiD
{ SPp#f~%m
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; r\AyN=
y
} ; u]vQ>Uu
meOMq1
template < typename T1, typename T2 > k?2k'2dy
struct result_2 r#xg#u oj
{ 0_CN/5F
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; i\W/C
} ; ` AY_2>7
} ; -eX5z
C+|b1/N-
T0&f8
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait @xB*KyUW
}#X8@
下面我们来剥离functor中的operator() It{ ;SKeo
首先operator里面的代码全是下面的形式: [,TkFbDq"J
JwJ7=P=c
return l(t) op r(t) PssMTEf
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ve\X3"p#
return op l(t) lkBdl#]9
return op l(t1, t2) V{<xff
return l(t) op /% kY0 LY
return l(t1, t2) op I_A@BnM{I
return l(t)[r(t)] .l@xsJn
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] Vb9',a?#n
.nyfYa+
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: 1&e} ms
单目: return f(l(t), r(t)); =C~/7N,lW]
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); }fKSqB]T-
双目: return f(l(t));
=|9H
return f(l(t1, t2)); 9'r:~O
下面就是f的实现,以operator/为例 R9B&dvG
+"1NC\<*
struct meta_divide {l |E:>Q2
{ sqW*
pi
template < typename T1, typename T2 > 23h%
< ,
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) 4Z/f@ZD
{ ",!1m7[wF
return t1 / t2; :sCqjz
} ;&