一. 什么是Lambda H_]kR&F8
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 `6su_8Hno
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, u>Hx#R<*%
=G6@:h=
|7'W)s5.
GK+w1%6)
class filler
`SrVMb(
{ H;ib3?
public : 6 H.Da]hk
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} y
6<tV.
} ; 9m4|1)
#u^d3
$Nj
39#>C~BOl
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: _L>n!"E/
X.qKG0i
p10->BBg
WkE;tC*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); l:HuG!
e+U o-CO
jT',+
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 /8T{bJ5
jL&F7itP
Sq>UMfl&
M-hnBt
二. 战前分析 r9[J3t*({~
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 g;T`~
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 pz+#1=b]
?*=Jq
7
pV3#fQ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); C.O-iBVe#
/* --------------------------------------------- */ 10(N|2'q
vector < int *> vp( 10 ); uQCS%|8C
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ]LjW,b"
/* --------------------------------------------- */ Re_.<_$
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); t|%ul6{gz
/* --------------------------------------------- */ PH.v3
3K
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Zlhr0itf
/* --------------------------------------------- */ aoN[mV'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); l]gfT&
/* --------------------------------------------- */ sXA=KD8
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); /DCUwg=0
T=vI'"w
N{0 D <"
rcCMx"L=
看了之后,我们可以思考一些问题: :M16ijkx
1._1, _2是什么? "-
AiC6u
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。 ?FyA2q!
2._1 = 1是在做什么? dL>ZL1.$
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。 nm..$QL
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Yhfk{ CI
t"Rn#V\c."
90a=
39kI
三. 动工 %"D-1&%zY
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: K9c:K/H
?~"RCZ[;.f
<>cajQ@
sy;~(rpg
template < typename T > 7o3f5"z
class assignment *" wsMO
{ NeH^g0Q2,g
T value; GI/o!0"_
public : 70@:!HI]
assignment( const T & v) : value(v) {} xQ4Q '9
template < typename T2 > }/=_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Yyf8B
} ; tP3Upw"U
<?+\\Z!7
Ad(j&P
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 idHBz*3~ps
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment YRFM1?*
Dcq^C LPY
9#+X?|p+0
sHNt>5p
class holder cOSUe_S0w[
{ TeHR,GB
public : ^VD14V3
template < typename T > ;-59#S&?tB
assignment < T > operator = ( const T & t) const 2]|+.9B
{ sNWj+T
return assignment < T > (t); /}Max@.`
} k#
/_Zd
} ; kjH0u$n
rRxqV?>n!
Lq:Z='Kc
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: ]`%cTdpLj
C
7v
8
static holder _1; :7'anj
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 \O[Cae:^?
n,`&f~tap
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ` 6PdMvF
而不用手动写一个函数对象。 w;XX jT
ffd yDUzQ
z'
@F@k6
~e|~c<!z8@
四. 问题分析 |#k1a:
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。 <Fi/!
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。 ZDlMkHJ
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 m6s32??m
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 uv, t(a.^
下面我们可以对这几个问题进行分析。 _|3n h;-m
N
G4wtDa
五. 问题1:一致性 h<[ o;E
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?| Jf2
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 6 LC*X
F[LBQI`zq
struct holder RX'(
l
{ "[76>\'H
// vNP,c]:%
template < typename T > DEIn:d
T & operator ()( const T & r) const EI'(
{ N/(&&\3
return (T & )r; OX!9T.j
} QM
O OJA
} ; p tMysYT'
vtmvvv
这样的话assignment也必须相应改动: N]gdS]pP2{
.pZwhb
template < typename Left, typename Right > ?_IRO|
class assignment 1Nv_;p.{
{ K*>lq|iu
Left l; 99vm7"5 hQ
Right r; m3 ,i{
public : YoJN.],gf
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} _&P![o)x
template < typename T2 > b2hB'!m
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ~b*f2UVs
} ; V1M oW;&
k/Z}nz
同时,holder的operator=也需要改动: A#*0mJ8IK
mV6\gR[h
template < typename T > ht` !@B
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const SBs_rhe
{ 9 u{#S}c`
return assignment < holder, T > ( * this , t); ~!\n
} |nIm$ p'
7i`8 c =.
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。 :`25@<*u
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 -W2 !_
L]cZPfI6
return l(rhs) = r; a8''t_Dp
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。 lIz"mk
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: jU/0a=h9
p \1-.
template < typename Tp > <rNCb;
class constant_t 4 QD.'+L
{ !>TH#sU$
const Tp t; s+l)Q
public : d
H]'&&M
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} m
z) O
template < typename T > D3N\$ D
const Tp & operator ()( const T & r) const 6Dwj^e0
{ _Uc le
return t; Srg`Tt]
} x
xWnB
} ; a2/!~X9F
WbB0{s
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 })%WL;~
下面就可以修改holder的operator=了 Cwl#(;@
0& 54xP
template < typename T > w|7<y8#qC
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const NLf6}
{ LNPwb1)
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); u?r=;:N|y
} Q)#+S(TG
lku}I4
同时也要修改assignment的operator() `C9/=
eJlTCXeZ|
template < typename T2 > 3!ZndWSHV
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } A@^Y2:pY
现在代码看起来就很一致了。 d#'aT mu!
-AWL :<
六. 问题2:链式操作 i{vM NI{
现在让我们来看看如何处理链式操作。 .-Yhpw>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。 Ksr.'
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。 ;rC)*=4#
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。 NBU[> P
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct \$Lr L
E]/` JI'%
template < typename T > &==X.2XW
struct result_1 &;I=*B~kE$
{ n$&xVaF|
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ;H}XW=vO
} ; ,'N8Ivt
F l@%?
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: {@ ygq-TZ
b\&|030+
template < typename T > ?VaWOwWI
struct ref lky{<jZ%
{ 8K$q6V%#
typedef T & reference; N{w)}me[YY
} ; wC{?@h
template < typename T > I:?1(.kd2-
struct ref < T &> lB3@jF
{ X]
cI ?
typedef T & reference; I@ "%iYL
} ; ~?`V$G=?,
qD0sD2 x
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: HE6kt6
f}qR'ognUu
template < typename T > av~dH=&=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const &iYy
{ jg%HaA<zO
return l(t) = r(t); vy&q7EX<i
} x=]PE}<E
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 2?J[D7
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Qv4g#jX{
D_VAtz
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 *c<0cHv*
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: *PEk+e
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 0@ccXFE
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 4K{<R!2I
最后的布局是: 1HPYW7jk@"
Add <e)5$Aj
/ \ <?h`
Divide 5 (^,4{;YQ5
/ \ u6tD5Y
_1 3 !5FZxmUup
似乎一切都解决了?不。 y{{7)G
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。 Tp-<!^o4
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。 KPW2e2{4@
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: j6@5"wx
A 9\]y%!
template < typename Right > &"G4yM
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Vm+e%
Right & rt) const vQK*:IRKK
{ X=_`$
0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); V)Oj6nD]
} yhwwF
n\
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ~Q4 emgBD
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。 [3&Y* W
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。 )3 C~kmN7
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。 JrZ"AId2
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。 [,_4#Zz
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? b3$aPwv
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: [
QHSCF5
kta`[%KmIZ
template < class Action > E}&Z=+v}
class picker : public Action F^knlv'
{ b d!|/Lk
public : 0qND 2_
picker( const Action & act) : Action(act) {} k#*tf:R
// all the operator overloaded q].n1w[
} ; 4^|;a0Qy]
~D[5AXV`^
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 @t W;(8-
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: UM?{ba9
CY{`IZ
template < typename Right > 4&TTPcSt;
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const !4gyrNS
{ r&qFv)0!`
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); OanH G
} kaK0'l2%
G?`x$U U
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ]gxt+'iAFS
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。 8V]oR3'
#:C?:RMS
template < typename T > struct picker_maker {OK+d#=
{ =Tdh]0
typedef picker < constant_t < T > > result; 5|I2
} ; e7fA-,DV
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > C9?R*2L>
{ !%pY)69gv
typedef picker < T > result; Y6J7N^
} ; N|G=n9p
^Md]e<WAp
下面总的结构就有了: k{fTqKS%h
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。 qT
U(]O1
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。 Woo2hg-ti
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 v\LcZt`}
至此链式操作完美实现。 &PfCY{_
z?a<&`W
0H|U9
七. 问题3 $m$tfa-
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。 =e<;B_~.
y1zNF$<q
template < typename T1, typename T2 > m%mA0r
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ?B&Z x-krd
{ !y1]S .;
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); % FN3/iM
} t6zc$0-j"
B5-G.Z
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: \M@9#bd
@ P[o
template < typename T1, typename T2 > N{lj"C]L
struct result_2 yS*s[vT
{ st8=1}:&\
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ^\Bm5QkS
} ; ]}K\&ho2
BseK?`]U"
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? %]~XbO
这个差事就留给了holder自己。 uU&,KEH
vXdz?
I(i/|S&^
template < int Order > pv:7kgod
class holder; V !Cu%4
template <> 8(.DI/
class holder < 1 > ;=&D_jGf]
{ TB=KTj
public : )kMA_\$,
template < typename T > }7`HJ>+m)H
struct result_1 H<^*V8J 'w
{ 41pk )8~pt
typedef T & result; ]e*Zx;6oi
} ; 81O\BO.T
template < typename T1, typename T2 > u!&w"t61Nd
struct result_2 OHz>B!`
{ /zB;1%m-
typedef T1 & result; 76Drhh(
} ; tb%u<jY
template < typename T > [31vx0$_p
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ^qs{Cf$
{ 1x\Vz\
return (T & )r; M5mCG
} .GJl@==~1
template < typename T1, typename T2 > !11x&Db
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 6usy0g
D
{ Lk%u(duU^
return (T1 & )r1; 6$]p;}#
} _h@s)"
} ; Hh/Z4`&yi
5if4eitS
template <> ]6W;~w%
class holder < 2 > F vJJpPS
{ $!+t2P@d.5
public : Fv[. %tW
template < typename T > <tT*.nM\
struct result_1 >a5M:s)
{ f87>ul!*
typedef T & result; 'rT@r:6fn
} ; =Mg/m'QI
template < typename T1, typename T2 > S6.N)7y
struct result_2 o6@Hj+,,
{ w(lxq:>"
typedef T2 & result; gq$]jWtCD
} ; z8#c!h<@;
template < typename T > $6~
\xe=
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 5H+S=
{ 8J&K_JC^
return (T & )r; U}c[oA
} un+U_|>c
template < typename T1, typename T2 > lX)RG*FlTC
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const c)N&}hFYC
{ k'_p*H
return (T2 & )r2; ,n')3r
} FZ!KZ!p
} ; #MZ0Sd8]&
@$5!
:+1S+w
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> >。 Ivw+U-Mz
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: $gYy3y
首先 assignment::operator(int, int)被调用: mY+.(N7m
'O#,;n
return l(i, j) = r(i, j); eRlJ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) n&?]GyQ
Z19d Ted33
return ( int & )i; NNWbbU3wjh
return ( int & )j; $N7:;X"l
最后执行i = j; @ 2mJh^cj
可见,参数被正确的选择了。 zTFfft<
-0KQR{LI
$Cr? }'a
)~hsd+ 0t
91oIx W
八. 中期总结 V^qZ~US
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: Vt_NvPB`
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 F8q &v"
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 O*af`J{
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor -j%!p^2j9
]jWe']T
!}sYPz]7!
OL{U^uOhY
m6qmZ2<
+C~,q{u
九. 简化 gnS0$kCJ:
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。 &} b'cO
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 !_+LmBd
G
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: %ZV a{Nc
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 kcH?l
+-*/&|^等 (-\,t
2. 返回引用。 NT~L=xsY
=,各种复合赋值等 W\{gBjfE
3. 返回固定类型。 Hv>C#U
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ^s@?\v
4. 原样返回。 5S PGv}if
operator, e+"rL]
5. 返回解引用的类型。 'bP-pgc
operator*(单目) \ H#zRSbZ
6. 返回地址。 }r&^*"
2=
operator&(单目) "FC;k
>m
7. 下表访问返回类型。 T-=sC=sS,
operator[] -I1Ne^DZn4
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Pnb?NVP!^9
operator<<和operator>> Y(WX`\M97
f1Ruaz-
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。 oB27Y&nO
例如针对第一条,我们实现一个policy类: H<dOh5MFh
YaTJKgi"0
template < typename Left > B\2<r5|QG
struct value_return $'}:nwq6x
{ +
M2|-C
template < typename T > 4|f I9.
struct result_1 N|eus3\E
{ .M_[tl
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; CT6Ca,
} ; +{
QyB
umXa
template < typename T1, typename T2 > 48]1"h%*qB
struct result_2 8UB-(~
{ mDmy637_
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; zBWn*A[4
} ; ^ N]u
} ; oDp!^G2A"
iARIvhfdi
pg69mKZ$
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait Qcu1&t\ C
Xj.Tg1^K"
下面我们来剥离functor中的operator() RE]u2R6Y
首先operator里面的代码全是下面的形式: ,.u7([SGm
s OD>mc#%Y
return l(t) op r(t) _yTGv-
return l(t1, t2) op r(t1, t2) ' } rUbJo
return op l(t) 8D
eRs#
return op l(t1, t2) z65|NO6JW.
return l(t) op =!_e(J
return l(t1, t2) op lz X0B&:
return l(t)[r(t)] f>nj9a5
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] _X{ihf
wm|{@z
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: }<w/2<