一. 什么是Lambda #\K"FE0PGz
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 {([`[7B>a<
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, BJg
8WKY 4nkj
^HE@ [b
aej'c bO
class filler wL>;_KdU`
{ <qI!Dj{
public : b9v<Jk
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} x2OAkkH\]i
} ; 0fqycGSmU
'C>sYSL
V&Rwj_Y
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: `z7,HJ.0c
_~F
0i?
=)w#?DGpj
`'pAiu
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); a#9pN?~
p|BoEITL
#]gmM
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 AYp~;@
pEW~zl
NQvI=R-g
9E[==2TO
二. 战前分析 4_$.gO
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 K7nyQGS
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 <zAYq=IU
ip1gCH/?_+
N8J(RR9O
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); d..JW{
/* --------------------------------------------- */ _qo\E=E
vector < int *> vp( 10 ); i1bmUKZ8'L
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); uotW[L9
/* --------------------------------------------- */ }-u%6KZ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); cF?0=un
/* --------------------------------------------- */ ?a1pO#{Dg
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 6)20%*[
/* --------------------------------------------- */ +m/n~-6q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 7QoMroR
/* --------------------------------------------- */ \F""G,AWq{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); K5jeazasp
8yH)9#>
7;&,LH
Sn'
+~6i
看了之后,我们可以思考一些问题: ,g,Hb\_R)
1._1, _2是什么? cRWB`&
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 lWT`y
2._1 = 1是在做什么? i` ay9J8N
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ,@Kn@%?$
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。 %hdjQIH
2Vw2r@S/
'G>9 iw
三. 动工 g=,}j]tl
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: qOnGP{
TNK1E
)8SWU)/
t`>Z#=cl\
template < typename T > 8.+
yZTg
class assignment :fq4oHA#
{ Ps[#z@5{x
T value; 25@@-2h @
public : -~X[j2
assignment( const T & v) : value(v) {} 6E9/z
template < typename T2 > XP?)xDr8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } vJV/3-yX
} ; (XY`1|])`
gFTlP
}d;6.~Gw
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Xkg
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ["4Tn0g ;
l"jYY3N|h
)}t't"
L'
bY,D(J>
class holder >mG64N
{ Zj1bG{G=i
public : Fop +xR,Z
template < typename T > TY'61xWi
assignment < T > operator = ( const T & t) const IOY7w"|LW
{ /SQ/$`1{
return assignment < T > (t); KC9e{
} ?)(-_N&T
} ; #N'9
w .
.aVt d
[
3dolrW
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Re
%dNxJ=
Jyr
V2Tk^
static holder _1; .`V$j.a
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 5sN6&'[
o
P;6i
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &g1\0t
而不用手动写一个函数对象。 a6 0rJ#GD
F[`dX
E0EK88
?:-:m'jdU
四. 问题分析 K}^#VlY9
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。 {IaDZ/XS6
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。 '3WtpsKA
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ^w2 HF
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 n;Q8Gg2U
下面我们可以对这几个问题进行分析。 cC NRv$IO\
;gD\JA
五. 问题1:一致性 SW'eTG
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| BenyA:W"
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 XoL DqN!
I~@8SSO,vH
struct holder Z@f{f:Jc/"
{ gq/Za/!6
// n|XheG7:
template < typename T > (/,l0
T & operator ()( const T & r) const xIC@$GP
{ h:r?:C>n
return (T & )r; DuZ Zu
} Q~VM.G
} ; x\f~Gtt7Y
u*rP8GuS
这样的话assignment也必须相应改动: (V]3w
P)J-'2{
template < typename Left, typename Right > 't0M+_J
class assignment fwV2b<[
{ 79exZ7|
Left l; ahy6a,)K~
Right r; 8T6NG!/
public : hh&$xlO)(v
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} o ]z#~^w
template < typename T2 > }u=Oi@~
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ^2+Vt=*
} ; D&D6!jz
) ba~7A
同时,holder的operator=也需要改动: lv'WRS'}
'?L^Fa_H
template < typename T > kLZVTVSJt
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ]+W){W=ai
{ V
K 7
return assignment < holder, T > ( * this , t); ,w H~.LHi
} F P|cA^$<
*4}NLUVX
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。 VJ&<6
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ,m5i(WL
p\lR1
return l(rhs) = r; UU MB"3e
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。 6[c|14l
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: !]82$
|D"L!+J-$
template < typename Tp > #?jsC)
class constant_t Z?!AJY
{ }&e HU
const Tp t; MJ1qU}+]
public : tZz%x?3G
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} V<jj'dZfW
template < typename T > ?X@[ibH6
const Tp & operator ()( const T & r) const H?J:_1
{ _#6Qf
return t; X3kFJ{
} F}ATY!
} ; )`f-qTe
~ILv*v@m
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 >19s:+
下面就可以修改holder的operator=了 \\#D!q*
5P"R'/[PA_
template < typename T > kaB|+U9^
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const o
/[7Vo
{ C9sU^]#F
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Vb\g49\o/
} 2a
eH^:u
nH6SA1$kW
同时也要修改assignment的operator() ^Z?m)qxvB
C|TQf8
template < typename T2 > >Wt@O\k
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } e8^/S^ =&d
现在代码看起来就很一致了。 m1Y a
`?(J(H
六. 问题2:链式操作 &l1t5 !
现在让我们来看看如何处理链式操作。 fI<LxU_n:
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 O8A1200
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 f(D'qV T{
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 uH%b rbrU
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct PR:B6 F8
A+* lV*@0
template < typename T > Mh-"B([Z
struct result_1 Sl,DZ!
{ ocZ}RI#Q
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ?%hd3zc+f
} ; ]$r]GVeN}H
yVmp,""a
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: aO&{.DO2
A_wf_.l4h
template < typename T > Yz_}*
struct ref x-CjxU3
{ /-[vC$B"
typedef T & reference; iIX%%r+
} ; A'z]?xQR
template < typename T > Ia}qDGqPp!
struct ref < T &> h$!YKfhq}
{ @i>)x*I#AI
typedef T & reference; BNCM{}e
} ; %Tp
k1
3Z9Yzv)A
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 92<+ug =
= +MF@ 4
template < typename T > -^CW}IM{ I
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const w!6{{m
{ E0+L?(;
return l(t) = r(t); mB_?N $K
} B+Qf?1f
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 EtN,
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 %QEBY>|lI
>ceC8"}J5M
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 N'ER!=l)
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: l+"p$iZs
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 5_E8
RAG
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Eb[;nk?
最后的布局是: t;w<n"
Add <PDCM8
/ \ !?JZ^/u
Divide 5 pS+w4gW
/ \ ?;~E*kzO&
_1 3 qP#LJPaS
似乎一切都解决了?不。 ~Yk^(hl2
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。 x;u#ec4
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。 r4SwvxhG
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: XYWyxx5`
$J4\jIipL
template < typename Right > ~O\A 0e
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const VtLRl0/
Right & rt) const @rbd`7$%
{ azv173XZ
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); )v_Wn[Y.H
} T"vf
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Q/]~`S
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。 cmXbkM
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。 VU,G.eLW
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。 #wIWh^^ Zy
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。 u>lt}0
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? g,JfT^
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: .4%z$(+6
3(V0,L'1
template < class Action > EO)JMV?6
class picker : public Action (1D1;J4g
{ }[JB%
public : D8L5t<^1R
picker( const Action & act) : Action(act) {} D2&d",%&f
// all the operator overloaded JyE-c}I
} ; CjpGo}a/
#G]IEO$M6
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。 GbQi3%
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: #9|&;C5',!
p"%D/-%Gu
template < typename Right > vEg%ivj3
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 0QZT<Zs
{ X|{T ljn
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); pmB
{b
}
aO<7a
6
CHKhJ v3+4
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 8C*@d_=q
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。 WBWW7 HK
&B(z**+9
template < typename T > struct picker_maker "
7^nRJy
{ p\=T#lb
typedef picker < constant_t < T > > result; *xNc^&.
} ; wx3_?8z/O
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 1}\p:`
{ 3Sfd|0^
typedef picker < T > result; k^%=\c
} ; 8<Iq)A]'Z
% vUU
Fub
下面总的结构就有了: `r1}:`.m,
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。 3!p`5hJd
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。 s;TB(M~i[
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 (%L/|F_
至此链式操作完美实现。 >M2~p&Si
!}h)
|
>S:(BJMo
七. 问题3 Qz|T0\=V
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。 ~7ZZb*].(
_|M8xI
template < typename T1, typename T2 > \o[][R#D
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const I zTJ7E*i
{ nDraX_sm=
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); (o|bst][S
} BZW03e8|
phu,&DS!
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: aU(.LC
o C|oh
template < typename T1, typename T2 > %htI!b+"@
struct result_2 3*</vo#`
{ |-V:#1wR.]
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; &233QRYM
} ; M6p\QKi
L@H^?1*L?
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? jaEe$2F2
这个差事就留给了holder自己。 o.!o4&WH
fPD.np}
?P+Uv
template < int Order > p48enH8CO
class holder; q3#[6!
template <> 0V3dc+t)O
class holder < 1 > W Csf_1
{ GrG'G(NQ
public : Q O =5Q
template < typename T > ^ l#6Es
struct result_1 GV0@We~
{ :L@;.s
typedef T & result; ~o_JZ:
} ; O;RBK&P
template < typename T1, typename T2 > j#p;XI
struct result_2 r&8aB85
{ "e"#k}z9
typedef T1 & result; EF<TU.)Zf
} ; 2|bt"y-5r
template < typename T > kfnh1|D=aY
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const X?t;uZI^
{ $(D>v!dp
return (T & )r; 0~U%csPHt
} eaf-_#qb
template < typename T1, typename T2 > ]#G s6CsT|
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const eAW)|=2
{ a,oTU\m
C
return (T1 & )r1; PoaCnoNS
} kZG=C6a
} ; KE,.Evyu=
/o4e
n
template <> SWzqCF
class holder < 2 >
n}a`|Nbk
{ A4f"v)vM
public : @Pcgm"H<
template < typename T > )
Z3KO
struct result_1 EmT_T3v
{ nPvys~D
typedef T & result; mBwz.KEm<
} ; 8D)1ZUx7`
template < typename T1, typename T2 > A2gFY}
struct result_2 j?u1\<m
{ _3%$E.Q
typedef T2 & result; 2!-Q!c`y
} ; "mBM<rEn*
template < typename T > "T=j\/Q
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const FUL3@Gb$UV
{ %mss{p!d6
return (T & )r; Kuh3.1#o
} H(;@7dh
template < typename T1, typename T2 > $!wU[/k
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const W<)nC_$
{ 2z
!05]B%
return (T2 & )r2; _<f%==
I'
} [4#HuO@h
} ; GY?u+|Q
1"CWEL`i
?rOj?J9
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> >。 `WH$rx!
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: n`Z}tQ%)o
首先 assignment::operator(int, int)被调用: (!fx5&F
>g !Z|ju
return l(i, j) = r(i, j); b/[X8w'VP
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) wzy[sB274
-KC@M
return ( int & )i; @}6<,;|DQ
return ( int & )j; H,TApF89A
最后执行i = j; "=DQ { (L
可见,参数被正确的选择了。 WwsNAJ
1f+A_k/@
,X3D<wl
3A^AEO
kkZ}&OXS;
八. 中期总结 L@O>;zp;
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: 5nib<B%<V
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 BC!) g+8
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 C _he=SV
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor VB90 5%
F#|y,<}<
kO}%Y?9d
1y:fH4V
Fq~Zr;A
M 0}r)@
九. 简化 ]d(Z%
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。 Vq0X:<9
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 F_:Wu,dUZ
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: cr -5t4<jK
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 KJJ:fG8'
+-*/&|^等 {wM<i
2. 返回引用。 XE_Lz2H`
=,各种复合赋值等 EXeV@kg
3. 返回固定类型。 yg8= G vO
各种逻辑/比较操作符(返回bool) }JtcAuQt
4. 原样返回。 Z{vc6oj
operator, O-7)"
5. 返回解引用的类型。 TI8\qIW
operator*(单目) 5yt= ~
6. 返回地址。 i
Ehc<
operator&(单目) 'V%w{ZiiV
7. 下表访问返回类型。 #tg\
bb
operator[] OMk3\FV2Z
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 8Y8bFWuc
operator<<和operator>> g~-IT&O
4 ;_g9]
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。 }=f\WWJf0
例如针对第一条,我们实现一个policy类: L44|/~
e%pohHI
template < typename Left > HdlOGa6C
struct value_return G0h&0e{w
{ KsIHJr7-
template < typename T > $yU}56(z~
struct result_1 &;?+ ^L>
{ tH; 6Mp;f
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Q[3hOFCX
} ; ,5<AV K-#Q
`vzMuL;
template < typename T1, typename T2 > x(sKkm`Q
struct result_2 00IW9B-
{ PdVY tK%
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; f%n ;Z}=
} ; Q1*_l
} ; I-8I/RRkmP
#*9 |\
,#BD/dF
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait cg^~P-i@*
"4xo,JUf
下面我们来剥离functor中的operator() .= ~2"P
首先operator里面的代码全是下面的形式: =/j!S|P
/Bgqf,N |
return l(t) op r(t) ?IQDk|<