一. 什么是Lambda uH]oHh!}j
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 rld8hFj
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, CorV!H4
F:N8{puq5
vb6kr?-i*
Y'C1L4d
class filler =M=v;
,I-
{ lhC hk7l
public : PdtL
Cgd
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 1xI
} ; YS:p(jtd
=;Dj[<mJ45
ly:2XvV3~
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:
T~L&c
e|N~tUVrrN
>L')0<!&
+pRNrg?k
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); GZ^Qt*5 {
YPW
UncV
XY#.?<"Q8
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 X|-[i hp;
RqX^$C8M
0j;q^>
yd=b!\}WJ
二. 战前分析 *3)kr=x
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 z]7 /Gc,j
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 E>+>!On)b
yzT4D>1,
XBoq/kbw!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 6?'7`p
/* --------------------------------------------- */ te4=
vector < int *> vp( 10 ); 5|5p -B
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); HuJc*op-6
/* --------------------------------------------- */ c?N,Cd~q
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); XO+rg&Pu
/* --------------------------------------------- */ /,`OF/%
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); bQ(-M:
/* --------------------------------------------- */ \W]gy_=D{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); v&bG`\ !
/* --------------------------------------------- */ ?~b(iZ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); p6Z|)1O]
-We9
FO~
HItNd
f7y.##W G
看了之后,我们可以思考一些问题: v2_` iwE
1._1, _2是什么? J#t-."f6^
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 tv26eK
38
2._1 = 1是在做什么? ,J8n}7aI
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ^qnmKA>"F
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 m7DKC,
J\P6
*MB>,HU
三. 动工 'qvj[lpGr
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: K|YB)y
aCI3Tx&2qT
K{{_qFj@<y
zCuB+r=C
template < typename T > fjOq@thD
class assignment T;?k]4.X
{ xJ2I@*DN
T value; a|"Uw
`pX+
public : i[@13kr
assignment( const T & v) : value(v) {} 2j}DI"|h
template < typename T2 > +FAj30
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } s8)`wH?
} ; ypyKRsx
4(8trD6
Px&_6}YWy
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 1I{8 |
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment > (9\ cF{
g4eW<
3 ye
x-e6[_F
class holder z}B39L
{ Mx$&{.LFJ
public : Xh>($ U
template < typename T > |/vJ+aKq
assignment < T > operator = ( const T & t) const ykx^RmD`~
{ marZA'u%B1
return assignment < T > (t); Z Cjw)To(
} I{jvUYrKH
} ; )9:5?,SO
(v%24bv
BqY_N8l&E
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: wV"`Du7E;
"J`&"_CyZ
static holder _1; +l/v`=C
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 {BT/P!
0=#>w_B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); S.)Jp-&K
而不用手动写一个函数对象。 }&t>j[
!7
dct#4
r]UF<*$
V@!)Pw
四. 问题分析 4uo`XJuQ
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。 [104;g <
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。 a9z#l}IQ
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 m^G(qoZ]
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ~e 1l7H;
下面我们可以对这几个问题进行分析。 b.@a,:"
{VE
h@yn
五. 问题1:一致性 'Vo8|?.WhX
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?| Pps-,*m
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 `om+p?j
B+j]C$8}
struct holder <ZF|2
{ r~lZ8$KC
// . \"k49M`
template < typename T > 0{|HRiQH9+
T & operator ()( const T & r) const k=hWYe$iAz
{ 8~]D!c8; a
return (T & )r; iU;e!\A
} ||_hET
} ; m|;(0
rft
\ph.c*c
这样的话assignment也必须相应改动: /,I cs
.mt%8GM
template < typename Left, typename Right > |zYOCDFf
class assignment o)/Pr7Qn
{ {O^u^a\m
Left l; !qj[$x-ns
Right r; <4"-tYa
public : ds(?:zx#
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ^taN?5
template < typename T2 > 6:]N%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } &)%+DUV|
} ; t>I.1AS
o@Oz
a
同时,holder的operator=也需要改动: o)AwM"
]R#:Bq!F
template < typename T > K>@yk9)vi
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const HU i?\4
{ #]kjyT0
return assignment < holder, T > ( * this , t); ttzNv>L,
} aa`(2%(:
ej`%}e%2
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。 a>'ez0C
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 @1JwjtNk
hj [77EEz
return l(rhs) = r; - {QU>`2
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。 [y[d7V9_o
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: u dZOg
;Y$>WKsV
template < typename Tp > &12KpEyf
class constant_t _\ToA9 m
{
b-&iJ &>'
const Tp t; ;uUFgDi
public : ~#A}=,4>
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} +jGHR&A t
template < typename T > /SD}`GxH
const Tp & operator ()( const T & r) const cqS :Zq
{ qTd[DaG#
return t; <(L@@.87R
} W)In.?>]W
} ; $;qi-K3j
G*fo9eu5$
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Wwq:\C
下面就可以修改holder的operator=了 z)qYW6o%
tS'lJu
template < typename T > mgq!)
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const _FY&XL=
{ Fb5U@X/vE
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); jT{T#_
} k$w~JO!s
EKwQ$?I
同时也要修改assignment的operator() I0Pw~Jj{
lkn|>U[
template < typename T2 > 0bg"Q4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2$JGhgDI
现在代码看起来就很一致了。 4G c
M
#z*,CU#S9d
六. 问题2:链式操作 H_DCdUgC'
现在让我们来看看如何处理链式操作。 1 em,/>"
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 za>UE,?h
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 t]yxLl\
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 OXEk{#Uf[3
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Z2% HQL2
L"bOc'GfQ
template < typename T > liKlc]oM
struct result_1 =q4}(
{ rFRcK>X\L
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Kc MzY
} ; ^\\3bW9}H
(#Y~z',I
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: Da=EAG-{7
Mt[yY|Ec|
template < typename T > /{i~CGc;"
struct ref _4ag-'5
{ 6>>; fy2
typedef T & reference; x84!/n^z
} ; -aoYoJ '
template < typename T > 4T@:_G2b
struct ref < T &> [{znwK@
{ iNO>'7s7
typedef T & reference; 37#&:[w>
} ; V]=22Cxi'~
LW %AZkAx
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :QE5 7.
{%V(Dd[B6
template < typename T > |VBt:dd<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Yh":>~k?SY
{ {ZJO5*
return l(t) = r(t); BQ@7^E[
} XH%L]
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 \iuR+I
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 lSj
gN~:z
7aG.?Ca%
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 "s2_X+4oY
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: OxlA)$.hpu
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;FPx
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Pf*6/7S:
最后的布局是: b/SBQ"B%
Add m5\T,
/ \ hnnB4]c
Divide 5 gD,&TW
/ \ w_9^YO!!
_1 3 JzyCeM =
似乎一切都解决了?不。 @KN+)q P
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。 ZoW1Cc&p
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。 z+"tAVB[i
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: uZqL'l+/y
B=_w9iVN
template < typename Right > o`U}uqrO
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ZlT }cA/n
Right & rt) const }V?m
=y [
{ %b6$N_M{H1
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _:x]'w%
} 9^gYy&+>6]
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 i2F7O"f.
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 Ss3p6%V/
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 '\:4Ijp<"
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ({f}Z-%
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。
!`69.v
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? X+hHE kJ
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: Z%t_1t
6FUW^dt
template < class Action > YEL0h0gn
class picker : public Action })g<I+]Hf9
{ ]33!obM
public : 5{c;I<0
picker( const Action & act) : Action(act) {} %xt9k9=vZ
// all the operator overloaded "TZq")-
} ; (lk9](;L
Z}W{ iD{
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 fr17|#L+s
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: ( }-*irSsj
HiCh:IP7>/
template < typename Right > EX8JlA\-W
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 5mH[|_
{ _^NX`<&
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); > p`,
} mH o#"tc
,7{|90'V<
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > C{exvLQ
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 S?J!.(
0w?da~
template < typename T > struct picker_maker M4^G3c<
{ q<3nAE$?=
typedef picker < constant_t < T > > result; CM6% g f3
} ; !fh (k
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > >
Q!X?P
{ OO:S2-]Y>e
typedef picker < T > result; uLhGp@Dx
} ; B8&q$QV
q_M N
下面总的结构就有了: \PrJy6&
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 iw@rW5%'~
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 L9b.D<
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 u3T-U_:jSV
至此链式操作完美实现。 mm/\\my
rrD6x>
dwO fEYC
七. 问题3 uD\R3cY
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 crmQn ^4\
W .a>K$
template < typename T1, typename T2 > byHc0ktI\
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const i3-5~@M
{ )aS:h}zn
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Q*DT" W/0
} m\:^9A4HCg
MZgaQU 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: ]RVu[k8
r,5e/X
template < typename T1, typename T2 > Mz@{_*2
struct result_2 9~SPoR/_0
{ _O`prX.:B0
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; {X!vb
} ; ) CGQ}
=RoE=)1&-
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? r!r08yf
这个差事就留给了holder自己。 xfk
-Ezv
Yuv(4a<M%
tXE/aY*I
template < int Order > OC! {8MR
class holder; {FJMcO=
template <> l`v5e"V
class holder < 1 > vNO&0~
{ B'Yx/c&n
public : 0s n$QmW:
template < typename T > NdK`-RT
struct result_1 (,At5T
{ w,%"+tY_
typedef T & result; ]LE,4[VxRz
} ; 35h|?eN_m!
template < typename T1, typename T2 > > ,6
struct result_2 pa-*&p
{ Xo PJ?63
typedef T1 & result; vo/x`F'ib
} ; pY&6p~\p
template < typename T > 3u@,OE
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const #2=l\y-#
{ ~WrpJjI[
return (T & )r; pte\1q[N
} s_^`t+5
template < typename T1, typename T2 > |d0X1(
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const =dXHQU&Q
{ )nd^@G^
return (T1 & )r1; vJE=H9E
} Bg|d2,im
} ; FSuC)Xg
Fe8X@63
template <> 3M#x)cW
class holder < 2 > "&_+!TBg,
{ M$x,B#b
public : xQR/Xp!h
template < typename T > ; _%zf5;'
struct result_1 #JUh"8N'
{ Tv%7=P;r
typedef T & result; 8)>>EN8 R
} ; GcM1*)$ 4
template < typename T1, typename T2 > :tWkK$
struct result_2 PYQ0&;z
{ lDS y$
typedef T2 & result; LWr YKi
} ; ("`"?G
template < typename T > d=1\= d/K
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const =svFw&q"
{ JMAdsg/
return (T & )r; R0t!y3r&N
} ,e'r 0
template < typename T1, typename T2 > /#9P0@Y
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const |=5zI6pT
{ "8Dm7)nB
return (T2 & )r2; lz^Vi!|p
} uh\G6s!4/
} ; 5K
Ij}VN
(N/u@ M
=Ti!9_~
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> >。 +S+!:IB
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的:
II'.vp
首先 assignment::operator(int, int)被调用: fhi}x(
?0)K[Kd'Y
return l(i, j) = r(i, j); 4(8c L?J`0
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) UDHOcb
NXD-
return ( int & )i; y,?=,x}o#
return ( int & )j; >4g!ic~O
最后执行i = j; \7\sx:!$
可见,参数被正确的选择了。 m9h<)D '>
=t N}4
{?Slo5X|
rL<N:@HL
CUDA<Fm
八. 中期总结 q:_:E*o
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: Aa-5k3:x]=
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 we}xGb.u
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 v:lkvMq|=
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ",apO
A":=-$)
+<