一. 什么是Lambda 2uLBk<m5c
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 |qz&d=>
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, XJe}^k
2KtK.2; 7
a4\j.(w)$D
X+kgx!u'y
class filler 2Og<e|
{ ,#U[)}im
public : DPr~DO`b
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} RmRPR<vGW
} ; $0XR<D
)f,9 h
m^gxEPJK
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: sf"vi i,1A
MFQyB+Z
c<,R,DR
aUk]wiwIR9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); E<sd\~~A:
JA~q}C7A7o
Y49&EQ
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 N;gY5;0m
aM+Am,n`@
B
*%ey?
)kD B*(?
二. 战前分析 nrg$V>pD
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。 "p]!="\
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 7~Z(dTdSG
(0E<Fz
V
:!ablO~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); WG*),P?
/* --------------------------------------------- */ A DVUx}
vector < int *> vp( 10 ); hBi/lHu'
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Mj`g84
/* --------------------------------------------- */ |]5`T9K@b#
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); "x3x$JQZy
/* --------------------------------------------- */ D)tL}X$
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 0.)q5B`
/* --------------------------------------------- */ )H(i)$I
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); XAZPbvG|$
/* --------------------------------------------- */ /j-c29nz
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ;Z); k`j
[kf6bf@
+Fb+dU
%n6NVi_[
看了之后,我们可以思考一些问题: /@B2-.w
1._1, _2是什么? WK0:3q(P
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。 6MNr H
2._1 = 1是在做什么? :b]
\*
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。 \FIM'EKzu!
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。
&Ufp8[
yLPP6_59$
l <p(zLR
三. 动工 ,0c]/Sd*p
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: pu5%$}dBE
q@g#DP+C
Dt!
<
(eAz
nTU
template < typename T > 7>=
class assignment }Ogb|8
{ bh(}f.@
9
T value; hpgOsF9Lh
public : <4n"LJ9
assignment( const T & v) : value(v) {} @lWYc`>}
template < typename T2 > D|*yeS4>
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } K|Eelhm
} ; D5!#c-Y-
1_};!5$.
1tLEKSo+
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 --EDr>'D5P
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment +#\7
#Y
sF>O=F-7
4jSYR#Hqp`
mFeR~Bi>!
class holder zdw*
?C
{ wX$|(Y}
public : OAD W;fj
template < typename T > Ot)S\s>
assignment < T > operator = ( const T & t) const G<*
Iw>ep
{ C1+f\A|9FP
return assignment < T > (t); '4_c;](W
} >bd@2au9!
} ; ~sZ$`t
U>OAtiq JX
I,<?Kv
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: =Z{jc
?J,,RK.
static holder _1; @meT8S9t
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 2W2T
?T .=ym
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); I$MlIz$l v
而不用手动写一个函数对象。 a#k7 aOT0
c&I
&=MVX>[
`lQ;M?D
四. 问题分析 \Z,{De%
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。 <MX
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。 k'k}/Hxub
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Rj4C-X4=
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 vQ]d?Tp
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ([
-i5
R}cNhZC
五. 问题1:一致性 ec`re+1r
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?| #4lIna%VX
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 {z\K!=X/
rlGv6)vb
struct holder -7]j[{?w
{ )$1>6C\
// T2/:C7zL
template < typename T > a+cDH
T & operator ()( const T & r) const gb|;]mk*"
{ ]%y>l j?Y
return (T & )r;
46pR!k
} J8i,[,KcE
} ; ~\8(+qIv%f
d,?Tq
这样的话assignment也必须相应改动: KPI96P
:vX%0|
template < typename Left, typename Right > Fi67 "*gE
class assignment ZX64kk+
{
)UM^#<-
Left l; jw9v&/-
Right r; _Z!@#y@j
public : GGhk~H4OP
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} i#hFpZ6u
template < typename T2 > SJ<v< B
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } yi*EobP
} ; A= 5Ebu!z
KX]!yA
同时,holder的operator=也需要改动: g&y^ r/
%T\hL\L?
template < typename T > $xbW*w
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const k}Q<#
{ \ ZE[7Ae
return assignment < holder, T > ( * this , t); pA8As
} W>i"p~!
];4!0\M
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 U: Wet,
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 rv(?%h`
4l%1D.3-O
return l(rhs) = r; 5K 2K'ZkI
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 Z#L4n#TT
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: )S(Ly.
XC)9aC@s
template < typename Tp > *;]}`r
class constant_t }ePl&-9T
{ *=2W:,$
const Tp t; U31@++C[
public : <K`E*IaW
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} j7gw?,
template < typename T > eu9*3'@A
const Tp & operator ()( const T & r) const 4$[o; t>
{ CDRbYO
return t; eF22 ~P
} j&oRj6;Ha+
} ; #}FUa u$
V(F9=r<X
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 sqtz^K ROM
下面就可以修改holder的operator=了 U]~@_j
D,ZLo~
template < typename T > |DJ8
"T]E
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Leb|YX
{ #YYJ4^":k
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ~cCMLK em
} 5C9b*]-#
G:":CX"O(
同时也要修改assignment的operator() 5EcVW|(
(+epRC
template < typename T2 > 7!pKlmQ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } DJL.P6 -W
现在代码看起来就很一致了。 $VvgzjrH
'v~'NWfd
六. 问题2:链式操作 PnA{@n\
现在让我们来看看如何处理链式操作。 !T][c~l
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 `.@sux!lu
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 0DmA3
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 .{h"0<x
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct BZ?C k[E]Z
|cf-S8pwY
template < typename T > `a4&_`E,p
struct result_1 5b7(^T^K
{ hOUH1m.
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 'UIFP#GtFO
} ; *G>
x07S)~
MhD'
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: fw jo?
oNAnJ+_
template < typename T > igfQ,LWe!
struct ref &Mk!qE<:N
{ ]=qauf>3
typedef T & reference; _TOWqV^
} ; J8alqs7
template < typename T > );7
d_#
struct ref < T &> ,Gt!nm_
{ QDg5B6>$
typedef T & reference; @@Ybg6.+*
} ; N3|:MMl
$u!(F]^
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 1+;bd'Ie
}}=n]_f
template < typename T > !H\oQv-I
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const sv%X8
{ hpF_@n
return l(t) = r(t); FfJp::|ddr
} j8`
B
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。 "/aZ*mkjfJ
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 PN
l/}'
j2MA['{
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 O8@65URKx
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是:
0Idek
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 -[7+g
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?ZlXh51
最后的布局是: h9H z6
>
Add 4d@yAr}
/ \ DWt|lO
Divide 5 K6IT$$g
/ \ .[O{,r
_1 3 2`$*HPj+G
似乎一切都解决了?不。 gT+g@\u[
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 a|7C6#iz$
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。
/:4J
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: @.eN+o9|
?$f.[;mh
template < typename Right > 4H-eFs%5
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Trv}YT.
Right & rt) const :W*yfhLt
{ i<^X z
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y\]ZIvTSb
} )}@D\(/@
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 avRtYL
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 cAW}a
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 Vke<; k-
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 f CU]
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 _`udd)Y2
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? Z!"-LQJ
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: k<< x}=
VhUWws3E
template < class Action > m^3x%ENZ
class picker : public Action \)~d,M}kK
{ el9P@r0
public : !<p,G`r
picker( const Action & act) : Action(act) {} u5oM;#{@-
// all the operator overloaded |2j,
} ; =
j1Jl^[
>a?Bk4w
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。 e'3V4iU]
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: ="voJgvw
Tz @=N] D
template < typename Right > J?8Mo=UZz
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const BIWe Hx
{ d+q],\"R
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); duY?LJ @g
} {cXr!N^K
&>JP.//spi
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > oP`l)`
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。 6m:$mhA5
GmH DG-
template < typename T > struct picker_maker [Yt{h9
{ hC\
l
\y
typedef picker < constant_t < T > > result; (s3k2Z
} ; E!9WZY
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > k H.dtg_
{ r:g\
typedef picker < T > result; f$C{Z9_SX
} ; %~!4DXrMk
1+FVM\<&
下面总的结构就有了: q?}C`5%D
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[r^@|
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。 vE:*{G;Y
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 keAoJeG,J
至此链式操作完美实现。 EQm{qc;
&: Q'X
6.D|\;9{c
七. 问题3 cpdESc9W
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。 W8d-4')|
_Si=Jp][
template < typename T1, typename T2 > ?})A-$f ~
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const i>Q!5
{ dCd~]CI
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Nz
dN4+
} ukiWNF/
aK_5@8+ZD
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: F)^0R%{C
:21d
template < typename T1, typename T2 > dQ`Tt- n
struct result_2 =:]ps<Qx
{ h&>3;Lj
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; cb}zCl
j o
} ; *[[Gu^t^!
d0(zB5'}
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? E4X6f
这个差事就留给了holder自己。 y :;.r:
@2>UR9j
F/oqYk9`
template < int Order > q1}!O kr"2
class holder; xuioU
template <> ;U* /\+*h
class holder < 1 > /v
8"i^;}
{ Q~N,QMr)k&
public : 981-[ga`Y
template < typename T > j"qND=15
struct result_1 Nfa&r
{ 5XKTb
typedef T & result; \,#$,dUXD
} ; l\UjvG
template < typename T1, typename T2 >
mwAN9<o
struct result_2 I C
{ [HILK`@@
typedef T1 & result; FIq'W:q:
} ; meX2Y;
template < typename T > J2z/XHS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const %qc_kQ5%
{ $[|(&8+7
return (T & )r; ]m+%y+
} | v!N1+v0
template < typename T1, typename T2 > QOWGQl%!
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const p D<w@2K
{ $.`o
return (T1 & )r1; ER"69zQg|2
} (0 T!-hsP
} ; \L Q+
n+
_C !i(z!d
template <> @DysM~I
class holder < 2 > ,L<JG
{ X*2W4udF
public : cH5i420;aO
template < typename T > JEto_&8,C
struct result_1 N~)-\T:ap
{ QH'*MY
typedef T & result; :&BPKqKp
} ; Q}AZkZ
template < typename T1, typename T2 > q`<vY'&1
struct result_2 <[dcIw<7
{ & zDuh[j}
typedef T2 & result; f.6>6%l
} ; dNe!X0[
template < typename T > iWCYK7c@.-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const xC)bW,%
{ 6GxLaI
return (T & )r; ` Ig5*X4|
} FV^jCseZ
template < typename T1, typename T2 > 6`e{l+c=F
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 7]VR)VA M
{ )9eIo&Nl
return (T2 & )r2;
)-2Nc7
} d/d)MoaJ*t
} ; hP6f
B;9,Qbb
!l[;,l
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 F[ E'R.:
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 4"P9z}y=i
首先 assignment::operator(int, int)被调用: o 4F'z
MPB[~#:
return l(i, j) = r(i, j); 7b"fpB
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) |
eBwcC#^
`J.,dqGb
return ( int & )i; Sdq}?- &Sa
return ( int & )j; alb3oipOB
最后执行i = j; Y%
iqSY
可见,参数被正确的选择了。 @O#!W]6NT6
Cut~k"lv
VX)8pV$
65LtCQ}
*;A ;)'
八. 中期总结 D \ rns+
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: |1@O>GG
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 j,YrM?Xdo
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ZLQmEF[>
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor !#0)`4O
j<^!"_G]*?
5%,3)H{;t
r^
r+h[V
Zl>SeTjB-
^6W}ZLp
九. 简化 k~[jk5te
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。 #49l\>1z
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 H{}&|;0
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: E*'Y xI
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Zmu
+-*/&|^等 B}"R@;N
2. 返回引用。 3fOOT7!FL
=,各种复合赋值等 MzvhE0ab
3. 返回固定类型。 #cY[c1cNv
各种逻辑/比较操作符(返回bool) LLx0X
O@
4. 原样返回。 Ca |}i+
operator, *V&M5
5. 返回解引用的类型。 :2/L1A)O
operator*(单目) !9d7wPUFr
6. 返回地址。 +g1>h,K 3
operator&(单目) B!'K20"gF
7. 下表访问返回类型。 IyO0~Vx>
operator[] 4%0s p
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 hW*o;o7u
operator<<和operator>> <'\Nv._2a
u&~Xgq5[
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。 5_9`v@-4_
例如针对第一条,我们实现一个policy类: w{tA{ {
A{_CU-,
template < typename Left > k0Vri$x
struct value_return J jAxNviG
{ WuK<?1meN
template < typename T > C%4ed#
struct result_1 8\{!*?9!
{ ai 4 k?
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; eT%x(P
} ; D,IT>^[^7
k^7!iOK2
template < typename T1, typename T2 > W?Z>g"
struct result_2 >DRxF5b{
{ Pe:)zt0
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; !8@yi"n
} ; P>_O :xD
} ; jIKg* @
n@pwOHQn<|
<)d%c%f'`
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait "~Fg-{jM%
INndTF
下面我们来剥离functor中的operator() #Y= A#Yz,{
首先operator里面的代码全是下面的形式: 67EGkW?hbt
>nkVZ;tL
return l(t) op r(t) FG${w.e<
return l(t1, t2) op r(t1, t2) k8 #8)d
return op l(t) TQB)
A9
return op l(t1, t2) MZ38=nJ
return l(t) op bidFBldKl
return l(t1, t2) op bd/A0i?C
return l(t)[r(t)] a8xvK;`
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] i[z 2'tx4
6lzjaW5h
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: t|@5,J
单目: return f(l(t), r(t)); {t;o^pUF
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); `n>/MY
双目: return f(l(t)); cyNE}
return f(l(t1, t2)); O/eZ1YAC
下面就是f的实现,以operator/为例 ?;tPqOs&
z$&B7?
struct meta_divide |5flvkid
{ s8
WB!x {t
template < typename T1, typename T2 > Y%i<~"k
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) 56C8)?
{ mAlG}<
return t1 / t2; K+Him]
b
} yl$Ko
} ; e"866vc,
1(;{w+nM
这个工作可以让宏来做: r(^00hvH
|?KYY0
#define DECLARE_META_BIN_FUNC(op, desc, ret) struct meta_##desc{\ {/noYB<;
template < typename T1, typename T2 > \ '6zZ`Ll9
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) { return ((T1 & )t1) op ((T2 & )t2);} }; hT^&