一. 什么是Lambda WZM
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
*7o@HBbF
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, xn=#4:f
X;]Ijha<*
> JC"YB
6Ts[NXa
class filler A <_{7F9
{ [Ob09#B%:5
public : Du #>y!
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} {l"(EeW6)
} ; #>M^BOR8
Ihp
Ea,v)
8]mRX~
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: ot0g@q[3
"5204I
U@9v(TfV
Re+oCJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); : T{VCw:*
d uP0US
nC(Lr,(
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 (&SPMhs_|(
Rl&nR$#
*q"1I9zvT
@/,0()* dL
二. 战前分析 +
}$(j#h
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。 IrUoAQ2xpG
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 eA*We
=ld!=II
Hy5 6@jW+E
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); v"o_V|
/* --------------------------------------------- */ 5=\^DeM@
H
vector < int *> vp( 10 ); jvxCCYXR
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ;l^'g}dQ^
/* --------------------------------------------- */ W[sQ_Z1C
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); <Sr:pm
/* --------------------------------------------- */ %}JSR y
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 );
\u04m}h]
/* --------------------------------------------- */ B2Rpd &[
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 0"Euf41
/* --------------------------------------------- */ gF`hlYD
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); T(,@]=d,DD
'14 86q@[$
kZhd^H.
LcT;7yv
看了之后,我们可以思考一些问题: K:A:3~I!NW
1._1, _2是什么? 1;PI%++
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。 EEMRy
2._1 = 1是在做什么? );h
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。 =J"c'Z>.
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。 T9'HQu
7kITssVHI
HYG1BfEaW
三. 动工 !@*= b1
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: !x\\# 9
JNT|h zV
;.<HpDfG_
C9_[ke[1D
template < typename T > cj^hwtx
class assignment =Ot_P7'5gv
{ Q5l+-
T value; ;U$Rd,T4S
public : *yY\d.6(
assignment( const T & v) : value(v) {} ef!f4u\
template < typename T2 > t BG
9Mn
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ;Wa&Dg/5`
} ; bvHQ #:}H
\.+:yV<$
m>3\1`ZF~<
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 -%Ce
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment d'H gek{T
mi7~(V>
OT$++cj^
mg>wv[ 7
class holder g_!xD;0
{ G{O{
p
public : ep0dT3&
template < typename T > E$&bl
assignment < T > operator = ( const T & t) const ]"?<y s
{ /{/mwS"W
return assignment < T > (t); T\ukJ25!
} BjfTt:kY
} ; _ysakn
c.5u \I9"
3xmPY.
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: ksJ 1:_
hs:iyr]@9
static holder _1; VR%*8=
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Z6Z/Y()4Tl
3OY(L`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?A24h!7
而不用手动写一个函数对象。 Y"^.6
1_]%,
)O$S3ojZ
,7DyTeMpN
四. 问题分析 WS?Y8~+{5
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 q}0I`$MU
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。 `s3:Vsv4
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ${}9/(x/^
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 *65~qAd
下面我们可以对这几个问题进行分析。 >6@,L+-6r
Twr,O;*u=
五. 问题1:一致性 "3|OB, <;:
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| <b\8<mTr
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 cS2]?zI
oIMS >&
struct holder QFoCi&
{ ]{#Xcqx
// lz1cLl
m
template < typename T > O*x~a;?G
T & operator ()( const T & r) const Snp(&TD<<
{ .3@Pz]\M#>
return (T & )r; ) ]<^*b>
} _JA)""l%
} ; 1,U)rx$H
>IA1 \?(
这样的话assignment也必须相应改动: -mo4`F
yS[HYq
template < typename Left, typename Right > Ex@}x#3
class assignment '?fGI3b~/
{ 'WBhW5@
Left l; hstGe>f[6
Right r; BQeg-M
public : LfK/wSvWw
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} N=~DSsw
template < typename T2 > )nK+`{;@!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 7s2*VKr
} ; * kUb[
(Kg)cc[B`
同时,holder的operator=也需要改动: TIaiJvo
S&k/Pc
template < typename T > PlgpH'z4$
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const kE!ky\E
{ k)y<iHR_o
return assignment < holder, T > ( * this , t); U2~|AkL
} zzh7 "M3Qn
%\)AT"
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。 6lkCLH
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ^EW6}oj[
+JXn
return l(rhs) = r; V>UlL&V
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。 V%C'@m(/SZ
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: HW'I $ .
Mpk7$=hjc
template < typename Tp > qw)Ou]L=
class constant_t 1:./f|m
{ "+
k}#<P4\
const Tp t; B)0;gWK
public : :6m"}8*q8
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 73{<;z}i
template < typename T > J*ZcZ FbWN
const Tp & operator ()( const T & r) const 2Qc_TgWF
{ <A`SC;k\u
return t; U9Q[K `
} ^%Ln@!P
} ; L&]{GNw
]~ S
zb
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 tn(6T^u
下面就可以修改holder的operator=了 rTJ;s
ST4[d'|j
template < typename T > E5*pD*#
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 0U#m7j
{
Wkr31Du\K
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Z]5xy_La
} 60D6UW
,Hp7`I>/
同时也要修改assignment的operator() XG5T`>Yl
3-[+g}kak?
template < typename T2 > a'*~E?b
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } N&(MM.\`^
现在代码看起来就很一致了。 F+W{R+6
<u?\%iJ"
六. 问题2:链式操作 EYn9ln_]u
现在让我们来看看如何处理链式操作。 +]~}kvk:
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。 'mF&`BN}b
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。 :01B)~^
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。 Z]Cd> u
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct tCu.Fc@
VmXXj6l&
template < typename T > y~VLa
struct result_1 /NuO>kQa
{ 9pk-#/ag
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; EQ"+G[j~x
} ; R#rfnP >
fEGnI\
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: '
wp _U/
e YiqT Wn:
template < typename T > SI=7$8T5=5
struct ref oTTE<Ct[
{ sy6[%8D$
typedef T & reference; wz Y{ii
} ; xlc2,L;i
template < typename T > ]v+yeGIK S
struct ref < T &> iRV=I,
{ <uo@k'
typedef T & reference; V~$?]Z %_
} ; 7b8y
jFI`CA6P
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: vVjk9_Ul
c&PaJm
template < typename T > #f_.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const I`x[1%y2 F
{ vu:] [2"0
return l(t) = r(t); J2$,'(!(
} Ve xxdg
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。 m<J:6^H@
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ROO@EQ#`Z
.F/s(
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 \AB)L{
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: m@",Zr`f=
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 t"vkd
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 RxVZn""
最后的布局是: 8KsPAK_
Add YU\k D
/ \ 'k[vcnSz\/
Divide 5 vX&W;&
/ \ .d?LRf
_1 3 :*YnH&
似乎一切都解决了?不。 drbim8!q~
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。 q
w@g7
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。 VL|Z+3L
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: hUEA)c
D[Q/:_2l
template < typename Right > |<MSV KW
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const k:N/-P&+
Right & rt) const LG??Q+`l
{ gJ^taUE
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 0g#x QzE
} F
1l8jB\
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 pm[+xM9PB
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。 `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。 U/_hH*N"!
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。 Lb{.}
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。 e$&n)>%
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? RYdI$&]
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: e\!Aoky
7}`FXB
template < class Action > R\]C;@J<
class picker : public Action lbC,*U^
{ ~.tYYX<
public : #7KR`H
picker( const Action & act) : Action(act) {} ;s -@m<
// all the operator overloaded !7p&n3dz
} ; pF(6M3>IN
5=R]1YI~$
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。 Y~?Z'uR
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: RE1M4UV.
`>OKV;~{z
template < typename Right > ,H1K sN
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const e0j4t-lL
{ -FJLM
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); }$
Kd-cj+
} U*,\UF
CyXaHO
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Z*-a=u%gl'
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。 :}-?X\|\
{|B[[W\TN
template < typename T > struct picker_maker }0iHf'~DH*
{ JoZSp"R
typedef picker < constant_t < T > > result; "oyBF CW
} ; #%w)w R3
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > B#cN'1c
{ h4+*ssnYV
typedef picker < T > result; ;>S|?M4GZ
} ; lD-2 5~YV
ap2g^lQXq
下面总的结构就有了: $\|Q+ 7lQ
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 eN\+
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 @;N(3| n7
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Zxozhmg
至此链式操作完美实现。 M?GkHJ %!
sZ;Gb^{Z
).A9>^6?{
七. 问题3 e
m0 hTxb
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 )lz~Rt;1i
c((bUjS'=Y
template < typename T1, typename T2 > \9uK^oS
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 67
~p n
{ Z`U+a
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); L
u'<4 R
} !IA\c(c^
`xx3JQv[
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Xo&\~b#-
rs( e
template < typename T1, typename T2 > F^aD#
struct result_2 gS@<sO$d>
{ gVI`&W__,
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; w=a$]`
} ; P}qpy\/(4
</1]eDnU
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? scYqU7$%T
这个差事就留给了holder自己。 @65xn)CD{
Jb^{o+s53
iz{TSU
template < int Order > Wq"-T.i
class holder; p>#q* eU5
template <> IV1Y+Z )
class holder < 1 > 57 Bx-
{ ,D]g]#Lq
public : YbnXAi\y|
template < typename T > Bq1}"092
struct result_1 I|qhj*_C
{ ?Zsh\^k.g
typedef T & result; R!lug;u#
} ; VX>j2Z'
template < typename T1, typename T2 > }P-C-L{yE(
struct result_2 {
0&l*@c&
{ 6-0sBB9=u
typedef T1 & result; KfYU.Q
} ; ~!Nw]lb!
template < typename T > \7>*ULP
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const nk7>iK!i
{ [#RFdn<
return (T & )r; X1o^MMpz(F
} `b] wyP
template < typename T1, typename T2 > &;)B
qqXc
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const D~U RY_[A
{ hayJgkZ'
return (T1 & )r1; R!
On
} '`.-75T
} ;
s2wDJ|
CCol>:8{P
template <> H{,1-&>|
class holder < 2 > bgKC^Q/F
{ v'b%m8
public : 80'@+AD
template < typename T > *78c2`)[
struct result_1 wy#>Aq
{ ) \T H'
typedef T & result; b;5j awG
} ; 6)ln,{
template < typename T1, typename T2 > dcD#!v\0
struct result_2 PREGQ0
{ s-+-?$K
typedef T2 & result; 7aKI=;60.
} ; c%^B
'
template < typename T > ]1W xa?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const r|DIf28MIq
{ REE.8_
return (T & )r; *<y9.\zY<
} j/=Tj'S?D
template < typename T1, typename T2 > , QWus"5H
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const KV|D]}
{ +Ln^<!P
return (T2 & )r2; ~%g,Uypi
} &]RE 5!
} ; 6QbDU[
`[(XZhN
D"$Y, d
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> >。 l!Xj UnRF
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: +$nNYD
首先 assignment::operator(int, int)被调用: f_[dFKoX
buN@O7\
return l(i, j) = r(i, j); N{Z+
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) +h+ 7Q'k
^Cp2#d*
return ( int & )i; 9?hZf$z
return ( int & )j; gN:F5 0
最后执行i = j; `'<$N<!
可见,参数被正确的选择了。 >!s<JKhI
b~:)d>s8wY
t,JX6ni
K-#d1+P+
Kc2y
八. 中期总结 uGb+ *tD
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: !Md6Lh%-w
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 l1'v`!
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 IauLT;! X
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor P658
XKE
Gg~0>XS
Q c&Y|]p"
gveJ1P
7:pc%Ksq
I8)D
九. 简化 ' *a}*(0OA
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。 L{&2 P
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 fv+ET:T%
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: vbeE}7 *2
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 p{LbTjdNc
+-*/&|^等 K'J_AMBL
2. 返回引用。 %E&oe $[B
=,各种复合赋值等 `MPR-"Z6
3. 返回固定类型。 E9j<+Ik
各种逻辑/比较操作符(返回bool) xO>z
)3A
4. 原样返回。 iD|~$<9o
operator, ZJZSt% r
5. 返回解引用的类型。 OHBCanZZ,
operator*(单目) Y0|){&PCt
6. 返回地址。 IS(F_< .
operator&(单目) o
[V8h@K)
7. 下表访问返回类型。 EMO{u
operator[] 4>V@+#Ec5
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 t*H2;|zn_
operator<<和operator>> ^`id/
c:0n/DC
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。 6}I X{nQI
例如针对第一条,我们实现一个policy类: vkhPE(f
f<