一. 什么是Lambda 7%C6gU!r
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 L9@nx7D
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, M-eX>}CDm
-2f_e3jF
`Os@/S
) !3sB{H
class filler F6yMk%
{ E-CZk_K9
public : wPyfne?~,
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} :
xW.(^(d
} ; oPl^tzO
U4Il1|
M&
8^kw
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: dtJ?J<m}
{"-uaH>,
yj-BLR5
J#MUtpPdQ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); l7\Bq+Q
H|5\c=
af.yC[
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 2Lm.;l4YO
ca5Ir<mL
%A%^;3@
[8[g_
二. 战前分析 n{aD4&
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。 OLTgBXh
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 'V/+v#V+>
eX>x
+]l6
5*C#~gd&F
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); (*F/^4p!$
/* --------------------------------------------- */ ("?V|
vector < int *> vp( 10 ); yHe%e1
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); HZKqGkE
/* --------------------------------------------- */ ogtl
UCUD
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 741Sd8
/* --------------------------------------------- */ *6<<6f`(
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ,Tjc\;~%
/* --------------------------------------------- */ _ ZMoPEW
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Q3T@=z2j%
/* --------------------------------------------- */ e-Mei7{%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ^-Bx zOp
=)!sWY:
p%[/
_ -7
l]C#bL>i
看了之后,我们可以思考一些问题: r1ao=N
1._1, _2是什么? 2M@,g8O+B=
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。 ~qT5F)$B-
2._1 = 1是在做什么? b"iPuN!p
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ;<hLy(@
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 <*oTVl4fS
lk;4l Z
4SlEc|'7@
三. 动工 [7_1GSS1
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: /fv;`?~d*
7Ji|x{``
\SKobO?qI
8#L
V
oR
template < typename T > vY)5<z&
class assignment wwUa+6?
{ (ZSd7qH"
T value; d;@"Naw
public : &L`^\B]k|
assignment( const T & v) : value(v) {} lu vrv m
template < typename T2 > l$/.B=]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } F#=M$j_
} ; owQSy9Az
zo83>bt
9lqH
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 jzvrJ14
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 3n_N^q}
}2%L
0
As{ "B
QNWGUg4*&
class holder 5Q7Z$A1a
9
{ C8Ja>o2'
public : <
#FxI
template < typename T > Nux
assignment < T > operator = ( const T & t) const 4]G J+a
{ ;|U
!\Xp
return assignment < T > (t); !:baG]Y
} *{DpNV8"
} ; duQ,6
'9u(9S
nEHmiG
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: y~Z7sx0
R`KlG/Tk
static holder _1; ` {/"?s|
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 qBF6LhR
i+90##4<?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Z2a~1BL
而不用手动写一个函数对象。 7w\L<vFm
)s N}ClgJ
0uL*-/|
>)^Q p-
四. 问题分析 gx9=L&=d
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。 g286
P_a`*
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。 `:.a5
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 B_mT[)ut
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 *[Im].
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ;&c9!LfP
xciwKIpS
五. 问题1:一致性 L8,/
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?| 0@yw#.j
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Q@ua
G,6
G,e!!J
struct holder (1e,9!?
{ ULH<FDot
// @)XR
template < typename T > Tm\a%Z`U>
T & operator ()( const T & r) const >=1A a,_tc
{ r17"i.n
return (T & )r; gz#2}
} AZ>F+@ d
} ; S-5O$EnD
\AeM=K6q+D
这样的话assignment也必须相应改动: Pj8W]SA_
K2{6{X=
template < typename Left, typename Right > &yRR!1n)H
class assignment w?V;ItcL
{ Fe1XczB
Left l; A01PEVd@A
Right r; lk*wM?Z
public : `ztp u
~?
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} m<sCRWa-
template < typename T2 > RiG]-K:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } #+&"m7
s
} ; } `Cc-X7
<!=:{&d%
同时,holder的operator=也需要改动: GC`/\~TM
v,|jmv+:
template < typename T > [}I|tb>Pg
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 9zl-C*9vj
{ MbxJ3"@
return assignment < holder, T > ( * this , t); $px1D$F !
} (QTQxZ
1}R\L"
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。 {ub'
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ^EJ]LNk}
vddl9"V)
return l(rhs) = r; C<#_1@^:8e
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。 h t3P@;
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: =6a=`3r!I
G/ H>M%M
template < typename Tp > qND:LP\_v
class constant_t b#-=Dbe
{ [>LO'}%
const Tp t; &r+!rL Kp
public : *4/KK
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} dTWcn7C
template < typename T > ]?T,J+S
const Tp & operator ()( const T & r) const YpgO]\/w
{ E~c>j<'-"<
return t; WMS~Bk+!
} %GP`H/H(
} ; !?" pnKb}
[e>2HIS,
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 +&r=XJ5:`p
下面就可以修改holder的operator=了 L|8&9F\
%%9T-+T
template < typename T > 9"?;H%.
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const $F1Am%
{ +7{8T{
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); X4L@|"ZI
} \0K&2'
M< H+$}[
同时也要修改assignment的operator() 'U,\5jj'Y
\!"3yd
template < typename T2 > Wo Z@
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 5S[:;o
现在代码看起来就很一致了。 x\IuM
k*OHI/uiow
六. 问题2:链式操作 !$/P8T``M
现在让我们来看看如何处理链式操作。 7pN&fAtj/
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 n\< uT1n
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 dXPTW;w
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 e5D\m g)
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Wngc(+6O&
_q4Yq'dI
template < typename T > |9Y~k,rF
struct result_1 y7,t"XV
{ L#WGOl
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; "EVf1iQ
} ; '!`| H 3
9rIv-&7'm
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ixL[(*V
/i
template < typename T > ?4#
struct ref gH.$B'
{ %!DTq`F
typedef T & reference; .@\(ay
} ; ]f5vk
template < typename T > K+d{R=s^
struct ref < T &> (:^YfG~e
{ {P3gMv;
typedef T & reference; %_G '#Bn<
} ; mz<X$2]?
Y-,S_59
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :QF`Orb!^
KpIY>k
template < typename T > fm$Qd^E|e
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const !^EA}N.u
{ 3v&Shb?xb;
return l(t) = r(t); 11Uu5e!.
} pU<GI@gU
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。 T)tTzgLD}
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 t~$8sG\
^)o]hE|
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 @V&HE:P
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: _Ea1;dJmq
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 IpM"k)HR
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 T+S\'f\
最后的布局是: RB6TM
Add nm)/BK
/ \ JEK_W<BD
Divide 5 <<V"4 C2
/ \ '3~m},0
_1 3 =>JA; ft
似乎一切都解决了?不。 \9~Q+~@{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。 ~+,ZD)AKi4
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。 jAovzZ6BL
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: %zR5q Lb
[;l;kom
template < typename Right > 1r5Z$3t\
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const f%JM
a]yV
Right & rt) const wKoar
{ 6B Hdc
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4;(W0RQa
} 8Q0/kG
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 +: Nz_l
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 |,({$TrF
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。 Y\
;hjxR-
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。 sLzZ}u?(
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。
bM }zGFt
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? 2IP<6l8N
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: =$ T[
TH55@1W,[
template < class Action > ~@e=+Z
class picker : public Action I,aaSBwt&2
{ uL:NWgN
public : e;LC\*dG
picker( const Action & act) : Action(act) {} gQ|?~hYYv
// all the operator overloaded "`mG_qHI[
} ; ,s6lB0
B,` `2\B
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。 N7GZ'-t^Er
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: HdTB[(
b8[
ayy
template < typename Right > sxdDI?W4
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ma/<#l^}
{ r=xec@R]*
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ys:F
} )`2ncb
4^9qs%&
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > >wR)p\UEb
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。 s7\Ee-x)s
uz:r'+v
template < typename T > struct picker_maker x7i,jMR
{ :.f(}sCS
typedef picker < constant_t < T > > result; ezhfKt]j
} ; G7KOJZb+D
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > %|ioNXMu
{ UMMGT6s,E8
typedef picker < T > result; IR&b2FTcU
} ; n\$.6
_@x
L+mHeS l
下面总的结构就有了: #KuBEHr
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。 :bCswgd[
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。 wzcv[C-x
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 : H]MMe
至此链式操作完美实现。 LG{50sP`
2_Zn?#G8dl
z~i>GN_
七. 问题3 .4Mc4'
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。 0LTsWCUQ6e
AbQnx%$u
template < typename T1, typename T2 > Fr<tk^~/
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~wcp&D
{ K_;?Sr=
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); [<}W S}
.
} zFY$^Oz"_
+x?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: WopA7J,
Q91mCP~$
template < typename T1, typename T2 > IU"n`HS
struct result_2 f1B t6|W%
{ dIA1\;@
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; [(vV45(E
} ; IK8"3+(
YpG6p0
nd
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? 67||wh.BU
这个差事就留给了holder自己。 umpa!q};
n"vO?8Sx
6aWNLJ@
template < int Order > !G<gp4Js+N
class holder; @lqI,Ce5
template <> `'9t^6mk
class holder < 1 > 5!57<n
{ T?1e&H%USV
public : ?xwZ< A
template < typename T > 0}e&ONDQ
struct result_1 $J]NWgXl@
{ 1C/Vwf:@
typedef T & result; l{\k\Q !4
} ; >keYx<1
template < typename T1, typename T2 > ']H*f2y
struct result_2 +JB*1dz>8
{ \SWuylE
typedef T1 & result; RGBntp%
} ; `2j"Z.=
template < typename T > 3qDuF
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const D}2$n?~+
{ <AHdz/N
return (T & )r; v5FfxDvw
} Q.V+s
template < typename T1, typename T2 > bE jQMlb
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const bOr6"nn
{ hy3?.
return (T1 & )r1; I@1VX5
} :Yi 4Ia
} ; "msPH<D
w-Q=oEt
template <> N`vPt?@
class holder < 2 > !OOOc
{ /~g.j1 g
public : d:hX3
template < typename T > +('=RyoT
struct result_1 J|8 u
{ JK'tdvs~
typedef T & result; [h.i,%Ua"P
} ; Zj)A%WTD,
template < typename T1, typename T2 > Xx^v%[!`+
struct result_2 WaiM\h?=#
{ ciN*gwI)
typedef T2 & result; ko~e*31_E
} ; JNI&]3[C>?
template < typename T > xfqU
atC
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const zB6&),[,v
{ 9"dZ4{\!
return (T & )r; //#]CsFiP
} !!])~+4pP
template < typename T1, typename T2 > LEAU3doK;
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const LOk J
{ yq` ,)
return (T2 & )r2; wy""02j
} prGp/"E
} ; zKf0 :X
zH
*7!)8
*{=q:E$
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> >。 Emv9l~mIu
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ]/Cu,mX
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ~tB9kLFG
%kk~qvW
return l(i, j) = r(i, j); sb%l N
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ka:wD?>1i
_!o0bYD
return ( int & )i; e?e oy|
return ( int & )j; tSiQrI
最后执行i = j; ?1H>k<Jp
可见,参数被正确的选择了。 jG,^~5x
K` <`l
-B:O0;f
p8z"Jn2P
ho6,&Bp8
八. 中期总结 k-$J #
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: c`#4}$
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ZC&4uNUr
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 oN(F$Nvk
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ;!<@Fm9W
f'u[G?C
^>h2.AJ
n:JG+1I
i]0$7s9!
LhKUZX,P8
九. 简化 B_0]$D0
^
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。 ?xo<Fv
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ZIaFvm&q7Z
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: ?M04 cvm
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 -raZ6?Zjc
+-*/&|^等 5:l"*
2. 返回引用。 <##aD3)
=,各种复合赋值等 w6[$vib'
3. 返回固定类型。 o q cu<