一. 什么是Lambda S
1Ji\
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 J_|>rfW
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, zgpPu4t
-gS/
]}0+7Q
/ dn]`Ge)
class filler R91u6r#
{ 3^&pb
public : t;ga>^NA"
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} RzSN,bLR
} ; p7O4CP>9[
bL7mlh
/%N~$ &wW
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: XlNB9\"5
s*}d`"YvH
?at~il$z'
PsD]gN5"
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); R?\8SdJ
Un[#zh<4
&jPsdv h
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 gzdgnF2
r>q`# ~
8i"{GGVC
J.`.lQ$z
二. 战前分析 *XzUqK
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。 u09OnP\
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 ~JT{!wcE}o
e S
Fmx
;6)|'3.B9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); CnA*o 8w
/* --------------------------------------------- */ zKWi9
vector < int *> vp( 10 ); XJOo.Y
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); anV)$PT=
/* --------------------------------------------- */ !8s:3]
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); khu,P[3>
/* --------------------------------------------- */ CGg6n CB
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); D{z=)'/F
/* --------------------------------------------- */ gf@'d.W}
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); aA
yFu_
/* --------------------------------------------- */ ->#7_W
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); &k{@:z
AU$5"kBE
h/w- &7t
42Ffx?Qmv
看了之后,我们可以思考一些问题: hQ8{
A7
1._1, _2是什么? >\p}UPx
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 KJkcmF}Q
2._1 = 1是在做什么? @',;/j80
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 da^9Fb
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 <?nr"V
/iQ>he~fy
yq,5M1vR
三. 动工 SO&;]YO
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: EX5kF
?%0i,p@<
QY fS-
"7
4 L
template < typename T > ]V]o%onW
class assignment ,^,J[F
{ bU,&|K/
T value; BPOWo8TqD^
public : ) D`_V.,W
assignment( const T & v) : value(v) {} BZ T%+s;u9
template < typename T2 > &boBu^,94
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } q.X-2jjpx:
} ; (6+0U1[Iz
Ek.j@79
RGKJO_*J2
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 5LK>n-
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ]-`{kX
\%VoX`B
g?+P&FL#I
.lnD]Q
class holder O&0R ~<n
{ 3G&1. 8
public : Ywr{/
template < typename T > C|JWom\J
assignment < T > operator = ( const T & t) const Y+7v~/K=
{ Q'Tn+}B&
return assignment < T > (t); d$Xvax,C
} U\z+{]<<
} ; ?0<3"2Db~
t|DYz#]
=w5w=qB
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: rYqvG
zBR]bk\
static holder _1; *]=)mM#
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 _B[(/wY
7> Qt O
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 32Z4&~I
而不用手动写一个函数对象。 ~!OjdE!u
U#P#YpD;==
"8X+F%
ij),DbWd
四. 问题分析 G#*;3X$
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。 ro{MDs
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。 x1et,&,
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 v]!7=>/2
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 G#C)]4[n
下面我们可以对这几个问题进行分析。 hU{%x#8}lK
U|QDV16f
五. 问题1:一致性 |g{AD`
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?| '37b[~k4
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 :[&X*bw[
"8I4]'
struct holder T_dd7Ym'8
{ 8K/lpqw
// D.e*IP1R
template < typename T > ZjK~s)RC
T & operator ()( const T & r) const 90!Ib~7zH
{ +A3H#'
return (T & )r; a*8}~p,
} ;FBc^*q
} ; |"<
I\Vs:
!|/fVWH
这样的话assignment也必须相应改动: uI[*uAR
)em.KbsPPF
template < typename Left, typename Right > Z0=OR^HjA
class assignment -iHhpD9"X
{ T_-MSXhA
Left l; IY&a!
Right r; dw|0K+-PH
public :
"gz;Q
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} J Nz0!wi
template < typename T2 >
df'g},_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } P.:T
zk6
} ; 6>I.*Qt \l
:Mk}Suf&H
同时,holder的operator=也需要改动: NsHveOK1.
QFYy$T+W
template < typename T > AngwBZ@
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ._Xtb,p{
{ Xn=fLb(
return assignment < holder, T > ( * this , t); K;l'IN"N
} c"ztrKQQ
'Ap5Aq
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 nmGHJb,$
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 a5M>1&j/eC
<GN?J.B
return l(rhs) = r; Vvj]2V3
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。 8rYK~Sz
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: }t'^Au`X
fL;p^t u3
template < typename Tp > h~p}08
class constant_t jHCKV
{ |_*$+
const Tp t; F e.*O`
public :
P+0xi
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} pg)g&ifKl
template < typename T > s_LSsyqo
const Tp & operator ()( const T & r) const >``GDjcJ
{ ,GIqRT4K
return t; YP,PJnJU8
} ]r6bJ2
} ; Bl];^W^P
mtHz6+
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 $@)d9u
cd
下面就可以修改holder的operator=了 HV.7IyBA^
#8jd,I%L
template < typename T > 3)a29uc:U
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ltR^IiA}
{ (SK5pU
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ]w>fnew
} FF/R_xnx
E,@UM$alP
同时也要修改assignment的operator() ZZ*k3Ce
[B`P]}gL:
template < typename T2 > ~x:]ch|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } -;$/<
现在代码看起来就很一致了。 =1\wZuK#
AtDrQ<>y'
六. 问题2:链式操作 $lA,{Q
现在让我们来看看如何处理链式操作。 )g_zPt
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ^E17_9?
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ,IE0+!I
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 di2=P)3
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct /g''-yT7#
>iN%Uz
template < typename T > H~]o]uAi"
struct result_1 GNc|)$
{ ,0]28D
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; z_@zMLs
} ; FaE orQ
o q)"1
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&v~kzLr+
W2qQKv
template < typename T > w lg#c6#q
struct ref QL18MbfqP
{ )fc"])&8
typedef T & reference; yW?%c#9D
} ; bU`yymf{L
template < typename T > {+9\o ~
struct ref < T &>
Tpx,41(k
{ 98'XSL|
typedef T & reference; #/<Y!qV&
} ; 4 GW[GT
}Xv1KX'
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 1iL
xXd
a&Du5(r;!
template < typename T > XF$]KAL0
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Tk&9Klo
{ C&N4<2b
return l(t) = r(t); s,H(m8#>
} C)p<M H<
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 %5?-g[
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 B
RjKV
4^_Au^8R(
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 d ovwB`5
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ^l&4UnLlc
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 XYF~Q9~
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 VQMd[/
最后的布局是: |o=ST
Add 6F/
OlK<
/ \ jYID44$
Divide 5 yc=#Jn?S
/ \ bI6wE'h
_1 3 <SdJM1%Qo
似乎一切都解决了?不。 +{ !t~BW
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。 cG!2Iy~lA
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。 =2]rA
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: VQjFEJ
#'J7Wy
template < typename Right > C+m^Z[
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const f?^Oy!1]
Right & rt) const y"p-8RVk{
{ B\>}X_\4
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); l'".}6S
} 42wC."A
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 >E ;o"
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。 edk9Qd9
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。 8;f<q u|w
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。 PG[O?l
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。 {)9HS~e T
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? N<"6=z@w+
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: RdvTtXg
6ri?y=-c
template < class Action > c&?a,fpb
class picker : public Action m3Z}eC8LK
{ r9a!,^}F
public : &t|V:_?/x
picker( const Action & act) : Action(act) {} AYu'ptDNr
// all the operator overloaded !2U7gVt"*
} ; Mth`s{sATa
;6
6_G Sjz
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。 }rA+W-7
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: Z6([/n
wp*&&0O!
template < typename Right > 9iddanQA
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 7a]Zws
{ V -4*nV
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); EJ;0ypbG
} n.6
0$kR`
r2F
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 3et2\wOX1x
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。 V& j.>Y
C\^<v&
template < typename T > struct picker_maker Dw/Gha/
{ \R>5F\ 0
typedef picker < constant_t < T > > result; Vt)\[Tl~
} ; 2{]S_. zV
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > b|8>eY
{ ,#jhKnk2e
typedef picker < T > result; y_4krY|Zx
} ; #JR ,C
-w
&c?hJ8"
下面总的结构就有了: vWi.[]
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。 Z0 IxYEp
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。 vV\F^
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 -,fa{ yt-
至此链式操作完美实现。 5az
4N T
7}tZ?vD
t6g)3F7 T
七. 问题3 wH_n$w
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。 iraRB~
ZDkD%SCy
template < typename T1, typename T2 > rE{Xo:Cf
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const CVSsB:H6e
{ s@)"IdSA(
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); BXK::M+
} Ril21o! j
&Wz`>qYL*
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: @wdB%
qzlMn)e
template < typename T1, typename T2 > $sL|'ZMbS
struct result_2 q>|[JJ*6_N
{ ZH$sMh<xg
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ZOrTbik
} ; )lDIzLp
L^ #< HQ
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?
kulQR>u
这个差事就留给了holder自己。 Y:"v=EhB
]D) 'I`
_z(5e
template < int Order > Ad`[Rt']kI
class holder; w^'?4M!
template <> .xLF}{u
class holder < 1 > ,7fc41O3V
{ '=Kof1
public : (&P0la1
template < typename T > gR-Qj
struct result_1 [#>$k
6F*
{ 'Elj"Iiu
typedef T & result; `l gjw=
} ; )_c=mT
template < typename T1, typename T2 > EB29vHAt~
struct result_2 Z?~d']XD
{ e:GgA
typedef T1 & result; ^`jZKh8)h
} ; ;&W;
template < typename T > fr'huvc
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Hr<C2p^a
{ -wfRR>)d
return (T & )r; @( n^S?(
} 16[-3cJ T
template < typename T1, typename T2 > `Ge +(1x
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^QXw[th!d
{ zOiY0`=
return (T1 & )r1; /\-2l+y>J
} ;la#Vf:]
} ; N,/BudFo
L'\/)!cEd
template <> 8R)D ! 7[l
class holder < 2 > 2i7i\?<.
{ s?@)a,C%k
public : <nb3~z1
template < typename T > $p0 /6c
struct result_1 DD@)z0W
{ FV^4
typedef T & result; aucZJjH
} ; S[L#M;n
template < typename T1, typename T2 > %CxEZPe$
struct result_2 sMz^!RX@
{ ?}=-eJ(7e
typedef T2 & result; dDqr
B-G
} ; *1Ut}
template < typename T > CCW%G,$U9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const )@<HCRQ'q
{ b@2Cll#
return (T & )r; &PRx,G5
} F%PwIB~cy
template < typename T1, typename T2 > 0HHui7Yy>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const .B 85!lCF
{ P>{US1t
return (T2 & )r2; 42V,PH6o
} X/E7o92\
} ; && DD
3qAwBVWa
m1hW<
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 u(1J=h
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 2<[eD`u
首先 assignment::operator(int, int)被调用: SLJ&{`"7
9@#h}E1$
return l(i, j) = r(i, j); S(>@:`=
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) })o~E
q:Y6fbt<7
return ( int & )i; CYPazOfj
return ( int & )j; (2 T#/$
最后执行i = j; +9CEC1-l
可见,参数被正确的选择了。 *%T)\\H2
6WE&((r^
^s^JzFw
2gd<8a' '
gf68iR.Gs
八. 中期总结 ;m@1Ec@*p
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: Sc1+(z
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 >
$w^%I
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Q;$
9qOF
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor W NwJM
<#+oQ>5s
zU
f>db
uFwU-LCe
)\T@W
~Na=+}.q_
九. 简化 a
-xW 8
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。 "t[M'[ `C
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 On{~St'V
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: gohAp
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ]ZzoJ7lr
+-*/&|^等 uQGz;F x
2. 返回引用。 7$!`p,@we/
=,各种复合赋值等 AIZW@ Nq.5
3. 返回固定类型。 "wA0 LH_
各种逻辑/比较操作符(返回bool) V I6\
4. 原样返回。 M"=8O>NZ2
operator, $h G;2v
5. 返回解引用的类型。 I86e&"40
operator*(单目) s<A*[
6. 返回地址。 Q~fwWp-J
operator&(单目) hq/J6 M
7. 下表访问返回类型。 )t|^Nuj8
operator[] iD>G!\&