一. 什么是Lambda f4[Bj{F
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 %>mB"Y,
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, MYlPG1X=?
&gr)U3w
3d>3f3D8;
e8Y;~OAj[
class filler OgOs9=cE{
{ i?+>,r@\p
public : eyIbjgpV
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} tLD(%s_
} ; t0"2Si
b~u53
Qp5YS
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: j1sgvh]D
$Lc-}m9n
ImG7E
w
:&'[#%h8
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ~stG2^"[
%n!7'XF'[
1UwpLd
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 =iFI@2
/hC'-6:]^
Z{ AF8r
YM`I&!n
二. 战前分析 HC$rC"f
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。 :rdnb=n
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 }R\;htmc;
\Q~HL_fy|Y
LPRvzlY=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]tnf<5x
/* --------------------------------------------- */ h%[1V
vector < int *> vp( 10 ); DQ{"6-
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); d,:3;:CR
/* --------------------------------------------- */ tm#[.
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); =*\(Y(0
/* --------------------------------------------- */ tDQo1,(oY
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); z"PU`v
/* --------------------------------------------- */ Vgg'5o&.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); SU$%nK )
/* --------------------------------------------- */ : 6|nXL
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); j
+u3VP
O,Sqh$6U
7&>==|gt
Tz<@k
看了之后,我们可以思考一些问题: _]"uq/UWp
1._1, _2是什么? :%2uZ/cG(
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。 ?Dn
6
2._1 = 1是在做什么? k "Qr
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。 0/~20 KD{s
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。 a*3h|b<
bH1MDBb2
D:DtP6
三. 动工 FC&841F
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: }u&,;]
8oxYgj&~X
<3WaFi u
U3rpmml
template < typename T > R GC DC*\
class assignment L8.u7(-#
{ zYZ^/7)
T value; A`
)A=L
public : eZ`x[g%1
assignment( const T & v) : value(v) {} $:!L38[7$
template < typename T2 > 0WO-+eRB/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } %&\DCAFk
} ; X6SqOb\(a
Z-;I,\Y%
(! "+\KY
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 j#D (
</T
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Q?WgGE4>
ELa:yIl0
JM> 4m)h#
7a5G,C#QQ
class holder UkzLUok]U
{ _2p D
public : <HMmsw
template < typename T > $QC^hC
assignment < T > operator = ( const T & t) const /vrjg)fer
{ J,,+JoD
return assignment < T > (t); D]B;5f
} |*te69RX
} ; 5
cz6\A&
97-=Vb
_]q%H ve
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: =CGB}qU l0
em,j>qp
static holder _1; ]<<+#Rg
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 :(Uz`k7
b+!I_g4P
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); <cNg_ZZ;8
而不用手动写一个函数对象。 gVU&Yl~/^
:!WKD@]
-h1FrDBt
~9h/{$
四. 问题分析 ^h~oxZJw
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。 _ H$^m#h
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。 !^_G~`r$2J
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Zzea
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 t#sw{RO
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ?CHFy2%Y
(8d"G9R(
五. 问题1:一致性 J]mq|vE
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?| |:G`f8q9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 $]I",ef
vm4q1!!(
struct holder /Zm5fw9
{ YdiXj |k+
// q+ )csgN
template < typename T > UukHz}(E
T & operator ()( const T & r) const ~RIn7/A
{ 1EcXvT=
return (T & )r; C$#X6Q!,
} [>xGynU0
} ; [X=J]e^D
zbyJ5~
这样的话assignment也必须相应改动: w/Ej>OS
avwhGys#
template < typename Left, typename Right > ;y%C\YB#
class assignment +:m'a5Dm
{ gW_^GrK pI
Left l; 1 6G/'Hb
Right r; 9<Kc9Z
public : lL]8~3b
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }5{#f`Ca6
template < typename T2 > XJ9bY\>)q1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 3GUJlFj
} ; &9,<_1~
2}HS`) /
同时,holder的operator=也需要改动: s\#eD0|
1h0cId8d
template < typename T > F2k)hG*|{
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const +'fdAc:5',
{ -4!i(^w[m/
return assignment < holder, T > ( * this , t); q[T='!Z\
} B}A7Usm
Bvy(vc=UDW
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。 dab[x@#r>
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ({l !'>?
{<}kqn83sT
return l(rhs) = r; Ow7}&\;^-
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。 UB&)U\hn
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: (y;8izp9!
;.wWw" )
template < typename Tp > km+}./@
class constant_t qGgqAF#B
{ l:
X]$2;
const Tp t; u%`4;|tI
public : S/l?wwD
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 2(Ez
H
template < typename T > =|G l
const Tp & operator ()( const T & r) const @vcvte
{ Tl ?]K
return t; 2~BId&]
} 3cztMi
} ; ?]bZ6|;2
%}%vey
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 d,0Yi
u.p
下面就可以修改holder的operator=了 Mb#-I
GZ
l<l6Ey(
template < typename T > eE'2B."F
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const =5yI>A0
{ lY_&P.B
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ZZXQCP6]
} <O#/-r>2
1]lm0bfs
同时也要修改assignment的operator() QX$i
]y%S
]/y&5X
template < typename T2 > .sk$ @Q
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } DMY?'Nts!
现在代码看起来就很一致了。 "jyh.@<
Uhz<B #tj
六. 问题2:链式操作 P{!r<N
现在让我们来看看如何处理链式操作。 c>*RQ4vE
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。 @'yD(ZMAz
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。 <r%QaQRbm
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。 utz!ElzA
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct BEv>?T
0
8yDu(.Q
template < typename T > 1Lf:TQB
struct result_1 C$1}c[
{ k^IC"pUc
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 4Fr\=TX
} ; >/DyR+?>4
nD$CY K
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: JRC+>'}Xj
}"'^.FG^_
template < typename T > uK`T1*_
struct ref p6yC1\U!o
{ 'RlPj0Cg
typedef T & reference; JKkR963 O
} ; wM;9plYlw0
template < typename T > ,ij"&XA
struct ref < T &> 45hjN6
{ poqx
O
typedef T & reference; Jz!8Xg%a
} ; n~#%>C7
9W{=6D86e
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: }lk_Oe1
EEaf/D/ jt
template < typename T > 2B#
]z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ,4-) e
{ !6pOY*> j
return l(t) = r(t); GB(o)I#h
} CE$c/d[N.
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 wPn#>\/L
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 -
T,;Fr'
%s;#epP$
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 XM$HHk}L;
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Q`qHzb~%
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 @eRR#S
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 l!plw,PYC
最后的布局是: D-/K'|b
Add 6BihZ|H04
/ \ X;7gh>Q'4
Divide 5 &cSTem
0
/ \ z\,g %u41
_1 3 g3%Xh0007{
似乎一切都解决了?不。 99@uU[&IJ
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 n#
%mL<
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 @N,EoSb :
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: IRemF@
<|NP!eMsw8
template < typename Right > 4eym$UWw
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ;[]{O5TB
Right & rt) const BpL,<r,
{ t%e}'?#^
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2<Tbd"x?
} gv}Esps
R
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 z O
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。 8I)66
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。 I_('Mr)
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。 ;/fZh:V2
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。 GNzkVy:u
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? Fg)Iw<7_2
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: M1^?_;B
92F(Sl
template < class Action > $ ZD1_sJ.
class picker : public Action ca@0?q#
{ 6.},y<E
public : }&)X4=
picker( const Action & act) : Action(act) {} TC80nP
// all the operator overloaded A@BYd'}]
} ; )oJn@82C|
L'LZK
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。 NKD<VMcqw
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: %nQii?1`i
c(.2D
template < typename Right > |*W`}i
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const JzJS?ZF
{ `H6-g=C
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 5-M EOy(
} b-8{bP]n
t<M^ /xe2
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > V,<3uQD9a
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。 #1i&!et&/
EELS-qA
template < typename T > struct picker_maker LfEeFF=#n
{ 5w)tsGX\
typedef picker < constant_t < T > > result; e`%U}_[d
} ; "d60IM#N?
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > hA.?19<Z
{ GsG.9nd
typedef picker < T > result; Z,%^BAJ
} ; 9kmkF,
96UL](l(`
下面总的结构就有了: v1Tla]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。 >4>!zZ
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。 )mw#MTv<[
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 <H{%`
至此链式操作完美实现。 DT`TA#O
5qzFH,
f 4CS
七. 问题3 1'or[Os3=
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。 {.=089`{
#~l(t_m{
template < typename T1, typename T2 > 8"L#5MO t
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4}@J]_]Z
{ wQ
/IT}-
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); &~of]A
} O4w6\y3U
q}[g/%
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: W($}G_j[B1
4RCD<7
template < typename T1, typename T2 > SJb+:L>
struct result_2 egMl(~D
{ 7\>P@s
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; )[&'\SOO
} ; ocCq$%Ka
#@s[!4)_I
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? lXH?*
这个差事就留给了holder自己。 @X@?jj&
Y;$wD9W
{"T$jV:GB
template < int Order > $VOSd<87
class holder; HriY-=ji>a
template <> :.wR *E
class holder < 1 > *->2$uWP
{ bBwQ1,c$
public : iV#sMJN9
template < typename T > `|maf=SnY5
struct result_1 {;uOc{~+
{ 5}S~8
typedef T & result; nBw4YDR!
} ; {~J'J $hn8
template < typename T1, typename T2 > coa+@g,w7#
struct result_2 4D+S\S0bk
{ d:C|laZHn
typedef T1 & result; 1t&LNIc|^
} ; a"7zz]XO2
template < typename T > ~6YTm6o
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 2d),*Cvf
{ nn[OC=cDN
return (T & )r; ?=zF]J:G1w
} A[W3.$s
template < typename T1, typename T2 > c>I(6$
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const %d-|C.
{ L'(ei7Z
return (T1 & )r1; 7i-G5%w7
} PkM]jbLe8
} ; .g/PWEr\I
Z:>)5Z{'
template <> |^l17veA@
class holder < 2 > n
hT%_se4
{ mhh^kwW
public : P/%5J3_,
template < typename T > yN-o?[o
struct result_1 X5[.X()M4
{ 2F5*C
typedef T & result; %?<Y&t
} ; D,R"P }G
template < typename T1, typename T2 > >3aB{[[N
struct result_2 imb.CYS74
{ okwkMd-yW
typedef T2 & result; i'bviD
} ; 'uy\vR&Pz
template < typename T > ?2d! ^!9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7 ) Q>R
{ :Vdo.uUa
return (T & )r; % YgGw:wZ
} :pz`bFJk
template < typename T1, typename T2 > N{b;kiZq
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const M3m)ui z
{ b}&2j3-n,
return (T2 & )r2; 8d|/^U.w~V
} DIAHIV<
} ; fHFy5j0H
|| p>O
:8(
"n1^
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> >。 `^d [$IbDW
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: hCpX#rg?
首先 assignment::operator(int, int)被调用: \S5YS2,P
W20qn>{z
return l(i, j) = r(i, j); Qqm$Jl!
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 9:\#GOg
\eH`{Z'.x5
return ( int & )i; vZ6_/ew8
return ( int & )j; 6h5DvSO
最后执行i = j; &];:uYmMU
可见,参数被正确的选择了。 )t?_3'W
:"G x
{7F?30: ]
6'S q|@VOi
[]L
yu
八. 中期总结 QmiS/`AAv
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: XEX-NE"]
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 7Be\^%
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 I_.Jo `lK~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor qI=j>x
=|j~*6Hd
ta
b^s>yN
tNbL)
A_pcv7=@
九. 简化 0?80V'
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。 ;NoD4*
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 fkHCfcU
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: ov xX.hO
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 V#Pz`D
+-*/&|^等 bnZ`Wc*5b
2. 返回引用。 -|cB7P
=,各种复合赋值等 !'5t(Zw5
3. 返回固定类型。
26[. te9
各种逻辑/比较操作符(返回bool) h.t2 ;O, b
4. 原样返回。 35}]U=
operator, ZHN}:W/p
5. 返回解引用的类型。 -~+Y0\%E
operator*(单目) a +lTAe
6. 返回地址。 @%[ dh@oY
operator&(单目) dN)@/R^E;
7. 下表访问返回类型。 :c/](M
operator[] o0B3G
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值
[j;#w,Wb
operator<<和operator>> 7dh--.i
hsJS(qEh.'
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。 ~IQ 2;A
例如针对第一条,我们实现一个policy类: vVfIe5+OP
-.
J@
template < typename Left > 2;`F`}BA
struct value_return o|njgmF;\
{ @C"w
1}
template < typename T > N*{>8iFo4
struct result_1 R64/m9
{ 7nl
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ;=i$0w9 W
} ; au?5^u\
U/j+\Kc~
template < typename T1, typename T2 > dk@j!-q^
struct result_2 .!2Ac
{ oc0z1u
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; LVAnZ'h/|
} ; iJ%`ym4Y
} ; hcrx(oJ5
w=}R'O;k
PvkHlb^x%
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 4+2hj*I
*#&s+h,^
下面我们来剥离functor中的operator() wf&1,t3Bgn
首先operator里面的代码全是下面的形式: <