一. 什么是Lambda i1@g Hk
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?Cfp=85ea!
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, B_jI!i{N%o
}C`0"
1
8&hn$~ate
Dohe(\C@
class filler W%Q>< 'c
{ s(Bi&C\
public : 0MGK3o)
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} [z@RgDXv
} ; .h^Ld,Chj
I19F\
L`4
2czL 1Ci
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: abP?Dj&
N ] /d
3"D00~
x+`3G.
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); R:x04!}
c}s3c
>`d
|sM#g1D@
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ;K-t
:S6 <v0`Z
vJ}
vz5RS
二. 战前分析 m|FONQ,@D
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 LOkDx2@g
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 LgKEg90w(
R!xc$`N
4>`w9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); bGO_y]Pc
/* --------------------------------------------- */ yN%Pe:R
vector < int *> vp( 10 ); Q 5TyS8
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); :u93yH6~8
/* --------------------------------------------- */ 0LuY"(LR
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); F$p,xFH#
/* --------------------------------------------- */ \9Zfu4WR
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); R$`T"C"
/* --------------------------------------------- */ tvCTC ey
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 824%]i3
/* --------------------------------------------- */ :$d 3a"]
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); T,@7giQg@
0_izTke
y%Ah"UY
aKcV39brr
看了之后,我们可以思考一些问题: Q-CVq_\3I
1._1, _2是什么? 7@]hu^)rry
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 2mG?ve%m)
2._1 = 1是在做什么? #2,L)E\G8e
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ;yrcH+I$_
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。 ]^%3Y
h8;"B
40/[uW"
三. 动工 G&Sg.<hn
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: !\v3bOi&
,aL"Wy(
v9kzMxs,
6Z:|"AwC2
template < typename T > H[U*'
2TJ
class assignment |REU7?B
{ 3E:<
T value; [-a/]
public : "E#%x{d
assignment( const T & v) : value(v) {} !OemS7{
template < typename T2 > oWOZ0]H1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Zwl?*t\D
} ; tF(mD=[
yB[LO(i
AP@d2{"m}
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ]"_'o~
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment |V]E8Qt
f}3bYF
(avaTUMOqy
rR;Om1 -,
class holder jL>r*=K)%
{ "WL
public : _bsfM;u.%
template < typename T > H8U*oLlc
assignment < T > operator = ( const T & t) const x$sQ .aT
{ 6 , ~aV
return assignment < T > (t); gUQCKNw
} -n-X/M
} ; E ..[F<5
TA5M4r6
G&-h,"yo^
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Stpho4+/y
) 'KHUa9
static holder _1; " OtLJ
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Dr609(zg^
f}4h}Cq
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L}+!<Ug
而不用手动写一个函数对象。 j>zVC;Sj*
xa:P(x3[
l.!
~t1i
Oylw,*%
四. 问题分析 %yVZ|d*Q
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 = %m/
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 T@.CwV
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 u@Lu.t!],
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 @hv]
[(<
下面我们可以对这几个问题进行分析。 -Zh+5;8g
Qfi5fp=f
五. 问题1:一致性 lQjq6Fl2
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| .b"e`Bw_=
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ~@bKQ>Xw
j!/(9*\
struct holder Qzv_|U
{ +Oa1FvoEA
// 7Ll(,i<,C
template < typename T > ?a}~yz#B(
T & operator ()( const T & r) const :OM>z4mQ
{ \I=:,cz*,
return (T & )r; + h&V;
} fA^ O
} ; M?o`tWLhF
%/y/,yd
这样的话assignment也必须相应改动: AJ /_l;
}PJ:9<G
y
template < typename Left, typename Right > 2ou?:5i
class assignment 60Z)AQs;+J
{ :H{8j}"
Left l; mB\|<2
Right r; U?>cm`DBP
public : qeYr= %)c
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 1/HZY0em
template < typename T2 > vL7}0n>tz
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5+r#]^eQY-
} ; !p2&$s"N.
n8Fi?/
同时,holder的operator=也需要改动: Jor?;qo3
STMcMm3
template < typename T > +?p ;,Z%5
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ZO~N|s6B^
{ {*m?t 7
return assignment < holder, T > ( * this , t); K+Qg=vGY
} %-dGK)?
mon(A|$|j
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 8b/yT4f
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 (|-/S0AV
q$K~BgFzpZ
return l(rhs) = r; |v+b?@
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。 $f%_ 4 =
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: =uH`EkY:
bCsQWsj^NW
template < typename Tp > s`{O-
class constant_t uf6{M_jXZ
{ [T|~Kh%#
const Tp t; PHoW|K_e
public : $8Zw<aEJ
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Jad'8}0J
template < typename T > 4PdFq*A
const Tp & operator ()( const T & r) const 0Z\fK>yw
{ BB-`=X~:m
return t; rRMC<.=
} vDemY"wz
} ; S=o/n4@}
E5rNC/Ul$$
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 pD{Li\LY
下面就可以修改holder的operator=了 1+]e?
B:l(`G
template < typename T > @"6BvGU2s
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const z')'8155
{ ~7*HZ:.
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); n V<YwqK
} Gr_I/+<
QeK~A@|F&
同时也要修改assignment的operator() jooh`| `P
X,p&S^
template < typename T2 > w/R^Vwq
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2c}kiqi{
现在代码看起来就很一致了。 _K8-O>I "
_L"rygit
六. 问题2:链式操作 ve$P=ZuM
现在让我们来看看如何处理链式操作。 OS3J,f}<=
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 OIN]u{S
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 PW}Yts7p
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 9i"3R0HN
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 0Y\u,\GrxW
.w0?
template < typename T > DQ,Q yV
struct result_1 Y$N|p{Z
{ 9:P)@UF
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 6ik6JL$AI
} ;
9TeDLp
7Kn=[2J5k'
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 6A%Y/oU+2
'?QZ7A
template < typename T > i'a M#4V
struct ref 9J<KR#M
{ /%.K`BMN
typedef T & reference; Y.-i ;Mmu
} ; c;j]/R$i
template < typename T > [ML4<Eb+x
struct ref < T &> ?)9 6YX'
{ Dj[D|%9a
typedef T & reference; M+Dkn3bx
} ; nkpQM$FW
$XJe)
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: |/q *Fg[f
L)Kn8
template < typename T > PoC24#vS
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const #0weN%
{ zj8;ENhEI
return l(t) = r(t); iJ~pX\FKO
} GU=h2LSi]
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 pPh$Jvo]
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 KxY|:-"Tt
`P'{HT
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 ?9AByg
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: #x'C
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 xe
6x!
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 _I2AJn`#
最后的布局是: 4pF%G
Add 7bTs+C_;7
/ \ 0evG
Divide 5 m(9E{;
/ \ L-Z1Xs
_1 3 1y>P<[
似乎一切都解决了?不。 '*K/K],S]
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。 6MZfoR
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。 vq x;FAqZ
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: 'I;pS)sb
olh|.9Kdj}
template < typename Right > xe}"0'g
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const I 5
Right & rt) const ?onZ:s2
{ T1D7H~\lG
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); N!hp^V<7
} zVp|%&
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 X^"95Ic
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。 eGZIdv1
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。 n}a# b%e
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。 R D)dw
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。 GAQVeL1
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? xJ,V!N
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: nc([e9_9v
.0Cpqn,[
template < class Action > ,OG sx
class picker : public Action AM\`v'I*6
{ 1Hzj-u&N/
public : <` HLG2
picker( const Action & act) : Action(act) {} 'j>Q7M7q{
// all the operator overloaded )0!hw|0|
} ; _bFX(~37z?
S__+S7]Nr
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。 ^-rb&kW@:
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: <.~j:GbsE
%WdAI,
template < typename Right > ar R)]gk
7
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const RfFeAg,]/
{ 5q@o,d
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ix,5-j
} :QB Wy
pl'n
0L<l
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > v"\Q/5p
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。 -SZ^;t
vA"yy"B+ V
template < typename T > struct picker_maker dfO84Z}
5
{ iw<+rh*C
typedef picker < constant_t < T > > result; J$@3,=L6V
} ; -&%#R_RV
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > {'EQ%H$q
{ 0t'WM=W<!8
typedef picker < T > result; &U!@l)<
} ; HSq&'V
#*XuU8q?
下面总的结构就有了: 8+Oyhd*|
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。 r>A,7{
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。 KGFmC[
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >4b-NS/}0
至此链式操作完美实现。 V(w2k^7)F
xLX:>64'o>
6E85mfFS
七. 问题3 ' !ZFK}
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。 T ^%$
px".pYr0
template < typename T1, typename T2 > S"V|BU
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const JM@MNS_||(
{ mQ:lj$Gf
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2);
cT-XF
} c2-NXSjsW
gVEW*8
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: Gd%KBb
U_B"B;ng+
template < typename T1, typename T2 > S3A OT
struct result_2 Ks7DoXCvE
{ tFO86 !ln
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ku&IVr%
} ; ~;9B\fE`
<Pg4>
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? ZQZ>{K
这个差事就留给了holder自己。 grp1nWAs
oX8e}
q!t_qX7u
template < int Order > 'OK)[\
class holder; t9;yyZh
template <> %\Z{~(&-v
class holder < 1 > uF/l,[0v
{ a}c .]zm]
public : @OV\raUO&V
template < typename T > 9Qst5n\Z
struct result_1 %nSLe~b
{ S{XV{o
typedef T & result; LhUrVydL
} ; g#2Q1t,~U
template < typename T1, typename T2 > .q"`)PT
struct result_2 %lF}!
{ *$0uAN
typedef T1 & result; g/'CX}g`
} ; ^0Cr-
template < typename T > KD11<&4_x
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const n3da@ClBt
{ 'P3CgpF<Z2
return (T & )r; I&,gCZ#
} 0sD"Hu
template < typename T1, typename T2 > [y F>W$Bn%
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ep>*]'
{ `%SFu
return (T1 & )r1; {R5Q{]dK3
} wz}BH
} ; xxL D8?@e7
pdUrVmW "'
template <> FZ)_WaqGf
class holder < 2 > <DxUqCE
{ 2^'|[*$k1@
public : .v?Ir)
template < typename T > \#?n'qyj
struct result_1 !yI , ~`Z
{ NifzZEX
typedef T & result; ]>M{Qn*
} ; -Jr6aai3+
template < typename T1, typename T2 > X"0n*UTF,
struct result_2 5ztHar~f
{ 'Y Bz?l9
typedef T2 & result; 6p|*H?|It
} ; T:p,!?kc7
template < typename T > .KSPr
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Z/n\Ak sE
{ 7O84R^!|2
return (T & )r; '85@U`e.
} v1*Lf/
template < typename T1, typename T2 > Lf`LFPKb
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 35|F?Jx.r
{ bL v_<\:m
return (T2 & )r2; }D02*s
} zkHwoAD;t8
} ; +nU"P
J{<,V\t)
;<i `6e
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> >。 c'ExZ)RJ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: J\VG/)E
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ^LO=&Cq
{y-7xg~}
return l(i, j) = r(i, j); f_y+B]?'M
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) G9"2h
\
x;w&JS1V
return ( int & )i; MY1s
return ( int & )j; XaOq &7
最后执行i = j; ig(dGKD\=9
可见,参数被正确的选择了。 /G[; kR"
j5QS/3
RRR'azT
mVUDPMyZ
V bQ9o
八. 中期总结 }g6:9%ZMu
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: A&u"NgJ
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 CvDy;'{y1
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 1<g,1TR
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor aMI\gCB/
*ElR
.b'hVOs{
#Q320}]{
DWT4D)C,U
lW}"6@0,
九. 简化 2O}UVp>
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。 $C@v
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 1xAZ0X#
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: *tkbC2D
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 'oNY4.[
+-*/&|^等 c@iP^;D
2. 返回引用。 ^,F8 ha
=,各种复合赋值等 AWSe!\b
3. 返回固定类型。 E{_$C!.
各种逻辑/比较操作符(返回bool) &aD]_+b
4. 原样返回。 3%c{eZxG=
operator, 9nIBs{`/Ac
5. 返回解引用的类型。 Q(Uj5 aX
operator*(单目) BfQRw>dZ"{
6. 返回地址。 Q?]307g7
operator&(单目) :{2exu
7. 下表访问返回类型。 bj)dYjf
operator[] tS!|#h-J
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 RDX".'`(=
operator<<和operator>> m<]b]FQ
^}nz^+R
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。 ra#s!m1
例如针对第一条,我们实现一个policy类: P5{|U"Y_
~bL^&o(W
template < typename Left > Ji%6/zV
struct value_return 'uAH, .B
{ i&KD)&9b#
template < typename T > GMD>Ih.k:9
struct result_1 NKae~ 1b
{ dfkmIO%9X
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; -?)` OHc^
} ; w
s(9@
@mM])V
template < typename T1, typename T2 > OFS` ?>
struct result_2 erG@8CG
{ dno=C
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; mMLxT3Ci8
} ; )./pS~
} ; JUBihw4
}M%U}k]+@
e>"/Uii
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait Ya$JX(aUe
;Kb]v\C:
下面我们来剥离functor中的operator() l+$e|F
首先operator里面的代码全是下面的形式: $'M:H_T
.^]=h#[e
return l(t) op r(t) >C|/%$kk:f
return l(t1, t2) op r(t1, t2) WHh=hts\
return op l(t) "f'pa&oHi
return op l(t1, t2) bvM\Qzc!<3
return l(t) op |UbwPL_L
return l(t1, t2) op xxnMvL;
return l(t)[r(t)] 9r@T"$V#c
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] P(N$U^pj
F,B, D^WD
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: S(;3gQ77
单目: return f(l(t), r(t)); /*B^@G |]'
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); j\t"4=,n
双目: return f(l(t)); +/idq
return f(l(t1, t2)); Vj.5b0/(
下面就是f的实现,以operator/为例 {eR,a-D!7
d9/YW#tm
struct meta_divide ;dq AmBG{8
{ |BysSJ
template < typename T1, typename T2 > =1D* JU
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) q*Xp"yBTo
{ neC]\B[Xm
return t1 / t2; e<