一. 什么是Lambda 3WHj|ENW
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 )*}2L_5]
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, Oe:+%p
3MPmLV#f
k)U9%Pr
V^sZXdDNL
class filler e`27 ?
{ qb'4x){
public : h mC.5mY
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} C2OBgM+
} ; %{?EfULg
X0wvOs:
<$7HX/P
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: ,l+lokD-#
b*i_'k}*<g
f*)8bZDD
>rJ9^rS
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); l6]:Zcd0
l.[S.@\ =.
SM;UNIRVE
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 wK>a&`<
us%dw&
2l^hnog|
VJviX[V?4
二. 战前分析 0'j/ 9vm
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。 m?G@#[
l
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 #29m <f_n
_
`5?/\7
$2I^ ;5r[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4BF
\-lq~
/* --------------------------------------------- */ &m<:&h& b
vector < int *> vp( 10 ); ]@LeyT'cY
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); }ADdKK-
/* --------------------------------------------- */
.nh }f}j
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); *L7&P46
/* --------------------------------------------- */ onqfmQ,3E
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); as%@dUK?
/* --------------------------------------------- */ 1fajTT?
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); %{"v^4
/* --------------------------------------------- */ \zOo[/-<
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ~gZ"8frl
K{DsGf,
Cb:}AQ =
'y_<O |-
看了之后,我们可以思考一些问题: s9^r[l@W0U
1._1, _2是什么? Ix~_.&
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。 SWwL.-+E]
2._1 = 1是在做什么? 9vX~gh{]~
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。 1j4tR#L
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。 re}_+svU
SlK6KnX
EGJ d:>k
三. 动工 f0!i<9<
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: b&]_5 GGc
[{@0/5i
)c432).Z
9W5~I9%
template < typename T > 5=cS5q@
class assignment L F<{/c9,
{ aUZh_<@
T value; Sr Vo0$5)
public : =*2_B~`
assignment( const T & v) : value(v) {} *z852@
template < typename T2 >
^W8kt
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } zH)M,+P
} ; vU(uu:U9
nev@ykP6
o,(]w kF
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 cl,\N\
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment =o_Ua^mr
;YGCsLT<xt
R V@'$`Q
,76xa%k(U|
class holder L'A9TW2
{ - 2DvKW$
public : +wPXDN#R
template < typename T > cpLlkR O
assignment < T > operator = ( const T & t) const JJE?!Yvc
{ <A~a|A-QFR
return assignment < T > (t); r3OR7f[
} A [c1E[
} ; YmwUl> @{
}.DE521u
T5<851rH
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: ue8"_N
qz_'v{uAj
static holder _1; _dQg5CmlG
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 \5
S^~(iL
),!1B%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Nv[MU@Tv
而不用手动写一个函数对象。 L|hoA9/]
%:S4OT8]
?:woUTyCv
84U?\f@u
四. 问题分析 a*kvU "]
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。 `AcUxnO
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。 n5qg6(Tl]
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 XK+"
x!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Vd&&GI(:?^
下面我们可以对这几个问题进行分析。 Z~S%|{&Br
WPu-P
五. 问题1:一致性 yw@kh^L
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?| Q# Yba
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 * a ?qV
&2P=74\=
struct holder s;!_'1pi@
{ OL%KAEnD
// ,%=SO 82W
template < typename T > (,`R >Dk
T & operator ()( const T & r) const d8!yV~Ka
{ y&&%%3
return (T & )r; gfr+`4H >v
} (/ qOY
} ; x$L(!ZDh
(&osR|/Tq
这样的话assignment也必须相应改动: jL6ZHEi#d7
_TbQjE&6
template < typename Left, typename Right > >}7Ml
class assignment 'qy
LQ:6
{ o'?[6B>oj
Left l; G(;hJ'LT
Right r; `uh+d
public : ,
RKl
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} E;MelK<8(
template < typename T2 > })F.Tjf*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } f`W)Z$fN5
} ; )Vf!U"
G4;5$YGG
同时,holder的operator=也需要改动: Abc%VRsT
*}h#'+
template < typename T > - _?U/k(Hi
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const $*')Sma
{ I6e[K(7NY
return assignment < holder, T > ( * this , t); b2r]>*Vc
}
zB68%
)q|a Sd
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 VFI\2n`
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ^:cc3wt'3[
I<+i87=
return l(rhs) = r; EA``G8Vn>
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 +bDBc?HZ{$
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 8\VP)<<
{9Ug9e{
~
template < typename Tp > Z#NEa.]
class constant_t sS{!z@\Lf
{ M 8NWQ^Y
const Tp t; 4.e0k<]N`
public : %y|L'C,ge"
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} MLT^7'y
template < typename T > UP .4# 1I
const Tp & operator ()( const T & r) const X#Sgf|$
{ 0&$,?CL?
return t; MU>6s`6O
} E=#
O|[=
} ; dRL*TT0NW
k -!Jww
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 zI.%b7wq
下面就可以修改holder的operator=了 BqtUL_jm
P
y!$r
template < typename T > f`K[oCfu
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 5HC5
{ s+<`iH9Hm
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); xOt
{Vsv
} %'w?fqk
@L ,4JPk
同时也要修改assignment的operator() ty\F~]Oo
.%G>z"Xx
template < typename T2 > S;K5JBX0#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ua!43Bp
现在代码看起来就很一致了。 $W;f9k@C!
jB"IJ$cD
六. 问题2:链式操作 %7hf6Xo=
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ,<s/K
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。 (yK@(euG
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。 -P:o ^_)g
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。 XGb*LY+Db6
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct {!&^VXZIT
+5x{|!Pn
template < typename T > z'01V8e
struct result_1 Y !%2vOt
{ :|%1i>O
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 8J)Kn4jq
} ; ZJ8"5RW
}eAV8LU
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: ><xJQeW
eb>jT:
template < typename T > lOy1vw'
struct ref <nU8.?\?~
{ =p2: qSV
typedef T & reference; 1]a\uq}
} ; 1t/mq?z:
template < typename T > 43,baeG
struct ref < T &> ]^53Qbrv
{ tGJJ|mle>
typedef T & reference; |OiM(E(
} ; / ?'FSWDU
BG8`B'i
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: &3$FkU^F6
|Ae7wXOs
template < typename T > m.68ctaa
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const *]:J@KGf
{ ;(@' +"
return l(t) = r(t); az[# q
} >rXD Lj-e
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 7.kgQ"?&
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 H X{K5 +
N
u3B02D*
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 l5nm.i<M
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: vA2>&YDFX
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 q 7-ZPX
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 T3NH8nH9"z
最后的布局是: lhX4MB"
Add >dJ[1s]
/ \ 1i&|}"
Divide 5 LP'~7FG
/ \ Rn*@)5
_1 3 G
2`hEX%
似乎一切都解决了?不。 . @0@Y
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 9-Z?
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 7Ue&y8Yf
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: w7c0jIf{
XS$#\UQ
template < typename Right > :_|Xr'n`A
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ojyP.R
Right & rt) const d&lT/S
{ Z*n4$?%W
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -/:!AxIH
} NiYT%K%
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 C;?<WtH
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 \dbaY: (
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 d;nk>6<|
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 RI<&cgWn+<
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 R*?!xDJ
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? ^Y%<$IFG
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: 6_&S
?yA
vdh[%T,&
template < class Action > [P|kY
class picker : public Action ibn\&}1
{ ;xL8W
public : nErr &{C
picker( const Action & act) : Action(act) {} #O{cplh,
// all the operator overloaded c!GJS`/
} ; p=V1M-
1vYa&!
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。 ?<rZ9$
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: G8WPXj(
biZ=TI2P,L
template < typename Right > 6~l+wu<$
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const -p"}K~lt:
{ NiMsAI@j
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); C`-CfZZ
} )NK#}c~5
x)pR^t7u8
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > m/q`k
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。 \Xe{vlo>h
r$<M*z5q(\
template < typename T > struct picker_maker G#~U\QlG-
{ 3:)_oHq
typedef picker < constant_t < T > > result; %)Z,?DzZ
} ; Res4;C
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 5jv*C]z
{ 6E2#VT>@/
typedef picker < T > result; h8 FV2"
} ; +-T|ov<
j`+{FCB7
下面总的结构就有了: 9Wg;M#c2Y|
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 &Xc=PQ:I
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 IgRi(q^b-
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 P4LiU2C
至此链式操作完美实现。 4|4 *rhwp
7{]L{ j-
MEM(uBYKOb
七. 问题3 fCZ"0P3(
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 NZO86y/
ac6@E4 _
template < typename T1, typename T2 > f\r"7j
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ("YWJJ'H
{ 1<cx!=w'
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ; K,5qs
} b|*+!v:I>T
o+L[o_er
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: / U!xh3
I`s~.fZt
template < typename T1, typename T2 > "3'a.b akw
struct result_2 i3pOGa<
{ G`/4n@
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; +_25E.>ml
} ; KdD~;Ap$
{c~w
Ms#
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? H?FiZy*[Y
这个差事就留给了holder自己。 DMTc{
q#1G4l.
|
O 9 b
template < int Order >
^6b5}{>
class holder; G$luGxl[
template <> ]o8yZ x
class holder < 1 > b~B'FD
{ k!G{#(++&6
public : N<<O(r
template < typename T > q(csZ\e=
struct result_1 v$+A! eo
{ J1w3g,
typedef T & result; @BPQ >
} ; O S#RCN*
template < typename T1, typename T2 > w%::~]
struct result_2 Spu;
{ ThkCKM
typedef T1 & result; &gW<v\6,
} ; kd_!S[
template < typename T > \t`Vq JLyu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const <f =<r*6
{ O3)B]!xL
return (T & )r; hsJ^Au=})w
} 6G#[Mc yn
template < typename T1, typename T2 > [P0c,97_
H
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const j'Q0DF=GV
{ ]HB1JJiS~
return (T1 & )r1; BG)zkn$
} }_-tJ.
} ; X"mPRnE330
W7(5z
template <> ,L<x=Dg
class holder < 2 > G(wstHT;/
{ 2Dt^W.!
public : N"tX K
template < typename T >
DZ4gp
struct result_1 9Y2.ob!$}
{ D=Nt0y
typedef T & result; x>,wmk5)
} ; (kyRx+gA
template < typename T1, typename T2 > 9G"4w` P
struct result_2 :4x6dYNU
{ u\/TR#b
typedef T2 & result; 1<m.Q*
} ; TaaCl#g$?
template < typename T > e>6W ^ )
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const o(
mA(h
{ Mn3j6a
return (T & )r; Bn%?{z)
} *_mER`
template < typename T1, typename T2 > Q[%G`;e #
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const eu8a<
{ >e(@!\ x
return (T2 & )r2; 7]Hf3]e>/
} LNrM`3%2-
} ; |`kkmq
L]Xx-S
k {vd1,HZ
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> >。 Nf2lw]-G4
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 7xY&7 x(v
首先 assignment::operator(int, int)被调用: {.0I!oWv
f}KV4'n
return l(i, j) = r(i, j); '66nqJb*
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) QFN 9j
Cs,Cb2[
return ( int & )i; _VM}]A
return ( int & )j; ;49sou
最后执行i = j; m6H+4@Z-;(
可见,参数被正确的选择了。 @MoCEtt
:cIPX%S
|}:q@]dC#
!6sR|c"~j
PR AP~P&^
八. 中期总结 [3ggJcUgW>
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: qF-Fc q
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 *-.`Q
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ]/3!t=La
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor s jaaZx1
<lU(9)
L;&
R#?atL$(
F9tWJJUsr
DHyQ:0q
T-lP=KF=
九. 简化 Uqx@9z(
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。 oK<H/76x
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 tNOOaj9mw
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: *lu*h&Y