一. 什么是Lambda A#;6~f
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 hEUS&`K
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, ~Cc%!4f'
;w>Dqem
KZrg4TEVi
011 N
class filler x-27rGN
{ )aSj!X'`;
public : RP[^1
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} O?\UPNb:K
} ; (zbV-4C
{zzc/!|
dpAj9CX(
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: (bhMo^3/*
5i71@?q;
QFekj@
oKyl2jg+,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); cdd6*+E
WxPu{N
'O>p@BEK
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 P+ejyl,
B
]*v{?<W
^.3(o{g
78M%[7Cq<i
二. 战前分析 A-"2 sp*t
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。 PmjN!/
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 +az=EF
<TN+-)H6
d23;c )'
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); n[[2<s*YJ
/* --------------------------------------------- */ 9}-;OJe
vector < int *> vp( 10 ); Sb QM!Q
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); >o/+z18x
/* --------------------------------------------- */ ZNfQM&<d
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); K&"ZZFd_
/* --------------------------------------------- */ TmviYP gb
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ] 6Y6q])Z
/* --------------------------------------------- */ DXF>#2E^+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); N1D{ %
/* --------------------------------------------- */ >DM^/EAG{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); $I0&I[_LzK
oaac.7.fV
"!S7D>2y#
Wf!u?nH.5
看了之后,我们可以思考一些问题: R6cd;| fan
1._1, _2是什么? to9X2^
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。 F_I.=zQr
2._1 = 1是在做什么? N({0" 7
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。 qtR/K=^i
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。 PenkqDc}
j{$2.W$
QnJd}(yN
三. 动工 fK/|0@B8
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: o?
LJ,Z
`RlMfd
aG&t gD{
mI>=S
template < typename T > 1xTNrLW
class assignment )+ (GE
{ 1j_
6Sw(
T value; )NLjv=ql
public : u>\u}c
assignment( const T & v) : value(v) {} d_1uv_P
template < typename T2 > [QDM_n
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } `E2RW{$A
} ; RW`+F|UbE
9dCf@5]
b"JX6efnN
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 2cQG2N2*
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment $!goM~pZ
s}lp^Uh=
Ba}<X;B }
K+<F,
P
class holder !g[UFw
{ F\2<q$Zn+
public :
*v#Z/RrrA
template < typename T > =))VxuoN
assignment < T > operator = ( const T & t) const ?_`X8Ok
{ jaL#
return assignment < T > (t); :h8-y&;
} Yn5a4
} ; ja&S^B^@
pGcijD
|>/m{L[
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: 24I\smO
=rN_8&
static holder _1; 3S"kw
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 , Y^GQ`~#
Ksf f]##H
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4Z0Y8y8)
而不用手动写一个函数对象。 xM:9XhH1
H~;s$!lG
avb'dx*q>
| Zj=E$
四. 问题分析 /s
Bs eI
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。 7|DPevrk
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。 LMaY}m>
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 JIXZI\Fk
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 `s8!zy+
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ldWrv7.P
{JtfEna
五. 问题1:一致性 @r/f
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?| -eFq^KP2
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 /DX6Hkkj %
7g.3)1
struct holder e=Q{CsP
{ Q\pI\]p:
// o)+Uyl
template < typename T > :+Tvq,/"
T & operator ()( const T & r) const >JHQA1mX
{ s:*" b'
return (T & )r; Lnc>O'<5P9
} bE1@RL
} ; evlz R/
78kT}kgW
这样的话assignment也必须相应改动: g]9A?#GyE
pwmH(94$0
template < typename Left, typename Right > b G/[mZpRT
class assignment tr<0NV62>
{ S?u@3PyJm
Left l; )KKmV6>b
Right r; {Z1^/Fv3
public : O"emse}Z
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} sEx`9_oZ
template < typename T2 > aH*5(E]
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } HG&rE3@
} ; `|e3OCU
j'q Iq;y
同时,holder的operator=也需要改动: :ywm 4)
)BmO[AiOM
template < typename T > 1{?5/F \ +
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Bn5$TiTcl
{ p]x9hZ
return assignment < holder, T > ( * this , t); en-HX3'
} "U*6?]f
5?-@}PL!Y
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。 z<,-:=BC"
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ,_I#+XiXY
*d&+?!
return l(rhs) = r; ?K=
X[
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。 aS&,$sR
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ,Kwtp)EX
jn+BH3e
template < typename Tp > &'oZ]}^0
class constant_t b>f{o_
{ x?RYt4 S
const Tp t; oETl?Vt
public : +K7oyZg
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} /Gvd5
template < typename T > !EB[Lutm
const Tp & operator ()( const T & r) const d< b ,].
{ 8"C[sRhz
return t; fm$)?E_Rp
} @q+X:K5b
} ; -p[!CI
`R,g_{Mj
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ;lc/FV[/
下面就可以修改holder的operator=了 OtZc;c
><H*T{
Pg
template < typename T > Q8^g WBc
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Ms14]M[\
{ `,$PRN"]
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); cCO2w2A[*
} z65Q"A
]B3f$;W
同时也要修改assignment的operator() 9;R'Xo=y
vY!'@W
template < typename T2 > a}[ 1*_G
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } J3c8WS{:
现在代码看起来就很一致了。 NM4b]>
CZw]@2/JuQ
六. 问题2:链式操作 lB*HLC
现在让我们来看看如何处理链式操作。 # b94S?dq
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。 |:,i
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。 ZiaHLpk
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。 f]48>LRE8
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct d'k99(vy
5aJd:36I
template < typename T > AI#.G7'O
struct result_1 D] +]Br8
{ <3!Q Xc
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 2k M;7:
} ; %![3?|8~
bDjm:G
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: RiiwsnjC
,$(a,`s)
template < typename T > R3hyz~\x&
struct ref uUJH^pW
{ ;}}k*<
Z
typedef T & reference; 7&
'p"hF
} ; CkR
95*
template < typename T > _*fOn@Vwo
struct ref < T &> Q/`W[Et
{ Hv-f :P O
typedef T & reference; Td5yRN! ?
} ; [Zne19/
jJyS^*.X
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: (O"-6`w[
S#*aB2ZS
template < typename T > *AJYSa,z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 7x#."6>Dy
{ WB 5M![
return l(t) = r(t); C_;A~iI7
} QC6:ZxP
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 tL]T_]z
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 !OV+=Rwdx
Igh=Z %
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 L~E|c/
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: =w ! 6un
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 yq12"Rs
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 N#GMvU#R
最后的布局是: /kAbGjp0
Add / "@cv{
/ \ H1r8n$h
Divide 5 S,f:nLT
/ \ Y2$xlqQd"
_1 3 "'~&D/7
似乎一切都解决了?不。 LAY~hF"
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。 |O{kv}YZ
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。 +LF`ZXe8l
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: 6 -BC/
4 {+47=n
template < typename Right > cUr5x8<W).
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const kL"Y>@H
Right & rt) const HL%|DCo
{ 2%vG7o,#
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); t'[`"pp=
} S]?I7_
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 R|[gEavFl
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。 {R?VB!dR
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。 )i<Qg.@MX
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。 w d6+,B
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。 byPqPSY
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? \: R Akf<
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: _8e0vi!~2
BK1I_/_!
template < class Action > {bNVNG^
class picker : public Action {J-Ojw|Y b
{ ^bECX<,H
public : |y4j:`@.
picker( const Action & act) : Action(act) {} A'n{K#
// all the operator overloaded _|7bpt9
} ; o,'Fz?[T%
NXOcsdcZu
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。 yC7lR#N8j0
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: $pauPEe
B? 9"Ztb
template < typename Right > Z GrDa
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const JhvT+"~
{ >3&9Wbv>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1cD
} 4xgfm.9I^
;&XC*R+
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > T3PwM2em_`
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 V0xO:7G^
F!P,%JmI<
template < typename T > struct picker_maker t(UdV
{ d'[q2y?6N
typedef picker < constant_t < T > > result; =d/$B!t{
} ; ;<#=|eD2
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > (?ZS9&y}
{ 7#C3E$gn?
typedef picker < T > result; mp8Zb&Ggb
} ; V^_U=Ed@M
zA|)9Dq
下面总的结构就有了: IGo+O*dMw
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。 1V-si bE
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。 Dlz1"|SF
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。
czH# ~
至此链式操作完美实现。 Y)7\h:LIg
?L6wky{
oG
c9
6B%
七. 问题3 `o21f{1]X&
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。 dg&GMo
G)&!f)6
template < typename T1, typename T2 > 0@RVM|
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 3e1%G#fu
{ MJU*Sq
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); N'Vj& DWC
} DuIgFp
)NO,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: -`5L;cxwk4
VP*B<u
template < typename T1, typename T2 > I>lblI$7
struct result_2 O$X^Ea7~
{ ,_@) IN
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ld#YXJ;P.k
} ; "g5MltH
E5Lq-
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|y\FL
这个差事就留给了holder自己。 q><wzCnRu~
\vE-;,
vd/ BO
template < int Order > u]P9ip"Z
class holder; $H6n gL
template <> [?da BXS
class holder < 1 > /q!_f!<q4x
{ 7e{w,.ny!
public : o+\?E.%%g
template < typename T > syb$%
struct result_1 fQw|SW
{ - @KT#
typedef T & result; 3 >^B%qg6
} ; YLV$#a3
template < typename T1, typename T2 > Xg}~\|n
struct result_2 @VsK7Eo
{ w!Z,3Yc)
typedef T1 & result; l%`~aVGJ
} ; jQ(%LYX$
template < typename T > d"+ _`d=`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ,- _ReL
{ prxmDI
return (T & )r; O^R^Aw
} ?!bWUVC)_
template < typename T1, typename T2 > Z3iX^
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /jOug>s
{ S_Vquw(+
return (T1 & )r1; >*}m.'u
} y{nX 6
} ; O[^zQA
ML
X: S?
template <> ";59,\6
class holder < 2 > yF^)H{yx
{ );^{;fLy%
public : vpk~,D07yR
template < typename T > &MP8.(u `
struct result_1 ' @j8tK
{ ;] #Q!
typedef T & result; uC1v^!D
} ; 4$v08zZ
template < typename T1, typename T2 > x0L,$Ol
struct result_2 R=HcSRTkA
{ YZp]vlm~
typedef T2 & result; 3a,7lTUuB
} ; U,$^|Iz
template < typename T > ;p)fW/<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const _NM=9cWd
{ T<ekDhlr
return (T & )r; D5
^Wi Q<
} -Cf<
#'x_
template < typename T1, typename T2 > U^$l$"~"
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Xdc>Z\0V
{ skfFj&_T
return (T2 & )r2; l@%7]
0!T
}
*:V"C\`^n
} ; L+"5g@
9=;ETLL "
9Dy/-%Ut9
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> >。 `LCxxpHi|
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: !8>tT
首先 assignment::operator(int, int)被调用: =nN&8vRH
9#niMv9
return l(i, j) = r(i, j); GvT'v0&+
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) qn R{'d
cwA+?:Ry}
return ( int & )i; BM]sW:-v
return ( int & )j; 'm+)n08[
最后执行i = j; c1p*}T
可见,参数被正确的选择了。 p)=Fi}#D\
kVe_2oQ_>
"5R8Zl+
?I.<mdhN#t
n~k9Z^ $
八. 中期总结 O486:tF
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: D+vHl}
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 CzZmC]5
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 X6]eQ PN2
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor S_B;m1
!jxz2Q
- ?W hJ.U
T!N,1"r
Ni[2 p
}
. cP
九. 简化 +9mnxU>
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。 v='h
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 !fcr3x|Y~M
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: :jq
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 2*K _RMr~
+-*/&|^等 +;Jb)8
2. 返回引用。 ^w XXx=Xf
=,各种复合赋值等 ,#42ebGHR
3. 返回固定类型。 rSVU|O3m;
各种逻辑/比较操作符(返回bool) "7pd(p *C
4. 原样返回。 NQ@."8
operator, zl j%v/9
5. 返回解引用的类型。 \P_1@sH=
operator*(单目) J!o[/`4ib
6. 返回地址。 .)>DFGb>H
operator&(单目) &