一. 什么是Lambda 3dSb!q0&N
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 8v z h5,U
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, ?JG^GD7D
k 3H0$1
DF_wMv:>^
=&6sU{j*
class filler .%y'q!?
{ IITUM)
public : 41R6V>e@9J
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ,jEc4ih4
} ; HCsd$M;Hbv
U(0FL6sPC
d#TA20`
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: K-~g IlbQ`
5D.Sg;\
Y/6>OD
^*i0~_
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); F)KR8(
I 1n,c d[
(BFwE@1"
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ~;?<OOt|wG
tu Y+n2
}% f7O
VP>*J`'H
二. 战前分析 [zBi*%5O
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。 a_+?#m
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 ]+46r!r|
(:qc[,m
9@ YKx0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); zBlv?JwG
/* --------------------------------------------- */ yq49fEgc@U
vector < int *> vp( 10 ); 6F!B*lr
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); (M"rpG>L
/* --------------------------------------------- */ $&&E[JY
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 2mnAL#
/* --------------------------------------------- */ FLs$
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Gc"hU:m
/* --------------------------------------------- */ E(j#R"
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 9sT5l"?g
/* --------------------------------------------- */ /W)A[jR
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); =qc+sMo
hrtz>qN
,5"(m?[m
qxb]UV,R
看了之后,我们可以思考一些问题: oWL_Hh%-f`
1._1, _2是什么? DrKB;6
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。 H)i|?3Ip
2._1 = 1是在做什么? # H
w(w
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。 iX6>u4~(
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。 Vn4wk>b}$2
:u./"[G
7dcR@v`c
三. 动工 *s*Y uY%y
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \?>M?6D
IC&P-X_aP
^e_LnJ+
i? ~-%
template < typename T > n'v\2(&uYN
class assignment /$CTz xd1
{ ?/"|tuQMW
T value; cd1G.10
public : <BED&j!qvP
assignment( const T & v) : value(v) {} ~<f[7dBv
template < typename T2 > _0v+'&bz
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } u30D`sky
} ; K\rQb
?' .AeoE-
m<hP"j
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 !CWe1Dm
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 5K ;E*s,
nq]6S$3
6
<-!1`@l>
:${tts2g
class holder #G77q$
{ R
,qQC<
public : ];LFv5"
template < typename T > ><
$LV&
assignment < T > operator = ( const T & t) const ,< x/
{ #dj?^n g
return assignment < T > (t); uy's eJ
} v^b4WS+.:
} ; (tX3?[ii
+ODua@ULFB
OALNZKP
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: x_nwD"
WJOoDS!i
static holder _1; +Cw_qS"=
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ~2"hh$
h<U?WtWT-p
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); +T$Olz
而不用手动写一个函数对象。 &\N>N7/1
teg5g|*
HCs^?s8Pp
+QU>D:l
四. 问题分析 <ToBVGX
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 Y/kq!)u;%L
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 hc3hU
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ZOqS"3j! j
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 x%=CEe?6
下面我们可以对这几个问题进行分析。 FAEF
]8\I{LR
五. 问题1:一致性 J+`aj8_ B
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| i=aR~
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ,2nu*+6Y/
b$,Hlh,^
struct holder <bKtAf
{ z#GZb
// r%?-MGc
template < typename T > +7H)s
T & operator ()( const T & r) const [j+:2@
{ 1IA1;
return (T & )r; ?eIb7O
} vd4@ jZ5
} ; ,Y/B49
AU$~Ap*rsa
这样的话assignment也必须相应改动: k{SGbC1=VK
f1MRmp-f'
template < typename Left, typename Right > TVD~Ix
class assignment sllT1%?
{ "l56?@- x
Left l; `N *:,8j
Right r; A)&FcMO*z
public : 0N,<v7PX
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [Cl0Kw.LD
template < typename T2 > = {O ~
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } :Z//
} ; >ou=}/<
X_TjJmc
同时,holder的operator=也需要改动: 0SIC=p=J
2!^=G=H/
template < typename T > ! I@w3`
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const KS$t
{ _6NUtU
return assignment < holder, T > ( * this , t); VI2lwE3
} fHup&|.
4!/JN 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。 UphTMyn3
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 y|5s
r)iEtT!p*
return l(rhs) = r; ~T1W-ig4[*
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+@!
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 9(N
d.wGO]"
template < typename Tp > Tc6cBe,
class constant_t 2I-d.{
{ o&?c,FwN
const Tp t; <b:%o^
public : Hb=#`
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} jSY[Y:6md
template < typename T > VsQ|t/|#
const Tp & operator ()( const T & r) const ] 3{t}qY$A
{ 5*YoK)2J
return t; ~Ru\Z-q1
} 7ftn
gBv?
} ; QH/py
TpKAdrY
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 3f7zW3F
下面就可以修改holder的operator=了 =?RI`}vw_H
=_dM@ j
template < typename T > ^[?y 2A:
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const
-tg|y
{ (9]Uuvfp6"
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); "\b>JV5
} RQ,#TbAe
D\Ak-$kJ^
同时也要修改assignment的operator() QL/KY G
NI V}hf YF
template < typename T2 > #fuUAbU0X
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } v"G1vSx)BT
现在代码看起来就很一致了。 y]j.PT`Cw
YN8x|DLi?
六. 问题2:链式操作 g&$=Y7G
现在让我们来看看如何处理链式操作。 tIuM9D{P
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 *2/Jg'de
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 VgHO&vU
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 'c35%?]
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Z.\q$U7'9
<0CjEsAB]
template < typename T > NHd@s#@
struct result_1 KL&/Yt
{ 2*NPK}
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Rt8[P6e"q
} ; B.8B1MFm
6 4_}"fU
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: V?{d<Ng~J
Vq'7gJj'
template < typename T > t1']q"
struct ref uavATnGO{B
{ AFAg3/
typedef T & reference; |qNe_)
} ; S#/BWNz|
template < typename T > FOiwA.:0
struct ref < T &> qOo4T@t3
{ %N8I'*u
typedef T & reference; f8Hq&_Pn
} ; ~apt,hl
b'z
$S+
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: C>Ik ;
FZ-Wgh
0z
template < typename T > =6sP`:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 7[m+r:y
{ 0+>g/>
return l(t) = r(t); `d_T3^ayu
} Q0J1"*P0
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ,&o9\|ih7]
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 z9o]);dZ
>dAl *T
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 !<w6j-S
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: S@qPf0dL<
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 K"!rj.Da
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 R$:-~<O
最后的布局是: @@Q4{o
Add zIc6L3w$
/ \ 7P{= Pv+
Divide 5 6r~9$IM
/ \ b^W&-Hh
_1 3 l#0zHBc
似乎一切都解决了?不。 .eJKIck
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。 i/X3k&
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。 %KyZ15_(-L
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: %xgP*%Sv2
.O-)m'5
template < typename Right > ~>:JwTy
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const o]?
yyP
Right & rt) const v^C\
GDH
{ ]j&m\'-s
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ioi/`iQR
} Q6
*n'6
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 {\$S585
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。 >k
@t.PeoV
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。 4!!|P
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。 fk}Raej g
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。 voZaJ2ho/O
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? k=)U
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: Sm/8VSY
BbB3#/g
template < class Action > *"^X)Y{c+l
class picker : public Action 2-F7tcya|
{ xU\!UVQ/
public : /E6)>y66
picker( const Action & act) : Action(act) {} UC&$8^
// all the operator overloaded D4$b-?y
} ; %<yW(s9{
r`"_D%kc
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。 ev&l=(hY
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: ]D6<6OB
kHK<~srB
template < typename Right > $
DN.
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const U`*we43
{ ~D5
-G?%$"
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); }-[l)<F:
} X"Eqhl<t
SrA6}kS
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > as:=QMV
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ei2?H;H;
DS8HSSD
template < typename T > struct picker_maker H;=yR]E
{ q~qz^E\T
typedef picker < constant_t < T > > result; sD3Ts;k
} ; }%KQrlbHJl
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > "|6(.S+o
{ S%RxYJ(
typedef picker < T > result; +9HU&gQ3
} ; U'jmgHq
-n:2US<
下面总的结构就有了: %[n5mF*`
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 (0`rfYv5.R
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 puOMtCI
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 +aL6$
至此链式操作完美实现。 x.gz sd
|mhKD#:
oX6Cd:c-
七. 问题3 >uCO=T,|
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。 >(:3H+
y95
#t
template < typename T1, typename T2 > TrDTay
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const IiKU=^~w
{ 7:~3B-Tb
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); v0'z''KM!
} @!$xSH
,$]m1|t@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: ;$eY#ypx
bP:u`!p
-i
template < typename T1, typename T2 > OBF M70K
struct result_2 H~[q<ybxr
{ ~U<j_j)z4.
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; n_sV>$f-u
} ; aR6~r^jB
2zo>`;l
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? c%<81Y=
这个差事就留给了holder自己。 S*r }oX0
~,W|i
tT`S"
9T
template < int Order > 6@Q; LV+
class holder; .WglLUJ:Z
template <> $zz4A~
class holder < 1 > `DSDu Jw%
{ 319 4]
public : QP%AJ[3ea%
template < typename T > 3meZ]u
struct result_1 P'}EZ'
{ 89[/UxM)
typedef T & result; 8f,",NCgc
} ; oKRI2ni$j9
template < typename T1, typename T2 > k8Dk;N
struct result_2 ILG&l<!E
{ BDp(&=ktq
typedef T1 & result; axG%@5
} ; ddYb=L+_b
template < typename T > B <Jxj
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const RCkmxO;b&
{ <MxA;A
return (T & )r; EhW@iYL
} }lk9|U#6*`
template < typename T1, typename T2 > pJ?y
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ]_>38f7h
{ >U:-U"rA?
return (T1 & )r1; ;{m;CKHI
} h\C1:0x{
} ; MO]zf3f!
e{:
-N
template <> |r*y63\T
class holder < 2 > ~HctXe' x
{ 8pmWw?
public : 7x*L 1>[`'
template < typename T > 98}l`J=i
struct result_1 K/&
{ Y(JZP\Tf_N
typedef T & result; #;2kN
&
} ; Ornm3%p+e
template < typename T1, typename T2 > lz).=N}m
struct result_2 *E@as
{ *eAt '
typedef T2 & result; d.sn D)X
} ; N,)rrBD
template < typename T > F0xm%?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const "t{D5{q|[k
{ p=Qo92
NH
return (T & )r; FN0<iL
} B)DtJf
template < typename T1, typename T2 > wh]v{Fi'
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const <.|]%7
{ -P]onD
return (T2 & )r2; O|;|7fCB\
} T.!.3B$@]
} ; : 2L-Nf
7r3EMX\#Qm
<l)I%1T_c
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 %F*h}i
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: >+BLD
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Kn+B):OY+
Xp^71A?>
return l(i, j) = r(i, j); btf]~YN
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) bmC{d
l%cE o`U
return ( int & )i; yV@~B;eW0
return ( int & )j; xqVIw!J?/}
最后执行i = j; ;>p{|^X0D
可见,参数被正确的选择了。 uoY]@.
.|6Wmn-uS
k1^&;}/f:
F-?s8RD
-1F+,+m
八. 中期总结 9(9\kQj{C
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: w##$SaTI
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 &W y9%
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 2)`4(38
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 0o!Egq_
$T'lWD *
-[lOf
k5Df97\s
$Jy1=/W&
E7Pz~6
九. 简化 ]\%u9,b%!
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。 BG20R=p
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 JLxAk14lc
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: gM#]o QOGE
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Xpf:I
+-*/&|^等 X04JQLhy"
2. 返回引用。 /`B:F5r
=,各种复合赋值等 y}lqF8s
3. 返回固定类型。 8z"*CJ@
各种逻辑/比较操作符(返回bool) *+cW)klm
4. 原样返回。 &14Er,K
operator, %,5_]bGvb
5. 返回解引用的类型。 tsTCZ);(
operator*(单目) =qTmFszT
6. 返回地址。 dxeLu
operator&(单目) Oc?]L&a