一. 什么是Lambda 2z.~K&+x
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ;[79Ewd#$
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, HOx+umjxW
diNAT`|?#
.p]rS
=#
g${JdxR:
class filler bSz@@s.
{ @tJ4^<`P{
public : ')}itS8
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ,J'_Vi
} ; 5A$,'%d
OTGy[jY"
t-5K
dLB
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: H|0-Al.{
/k[8xb
W':b6}?
,>01Cs=t8
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); l[]cUE
)"?eug}D
d&+0JI<
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ?K;l 5$?%
u|Oc+qA(
Yg?BcY\
P^# 4m
二. 战前分析 qcouZO
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。 %Oo
f/q
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 D)bL;h
$hHV Ie]+
*Ojl@N
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); piH0_7qr
/* --------------------------------------------- */ Q)y5'u qZ
vector < int *> vp( 10 ); mo3A *|U
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); m ?; ?I]`
/* --------------------------------------------- */ kh{3s:RQfC
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); C=|8C70[%N
/* --------------------------------------------- */ { =\Fc`74
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); B;F~6i
/* --------------------------------------------- */ :h |]j[2p
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); |V4<eF-0S
/* --------------------------------------------- */ $.t>* Bq
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); mBJr*_p
R8:5N3Fx
jV9oTH-
xkw=os
看了之后,我们可以思考一些问题: :8j7}'
1._1, _2是什么? p!8phS#iP
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 3z, Ci$[
2._1 = 1是在做什么? $qr6LIKGw
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ZjMnGRP
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 |`?&
{;E6jw@
A^p{Cq@E
三. 动工 #Q)r6V:
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: |:&O!36
A)4XQF
:s&dn%5N"
V@T(%6<|
template < typename T > -Ci&h
class assignment ^iBIp#
{ )`(]jx!
T value; cC>Svf[CzK
public : e8T"d%f?
assignment( const T & v) : value(v) {} c|`$
h
template < typename T2 > }IZw6KiN
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } *Ow2,{Nn
} ; W;cYg.W2
tk*-Cx?_
Ncsh{.
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ;9WUt,R
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment <xF]ca
},#7
p}h.2)PO
rX /'
class holder +&S6se4
{ x~R,rb
public : ;1PJS_@rX
template < typename T > j)Ak:l%a
assignment < T > operator = ( const T & t) const JKfJ%yy |
{ !H)-
return assignment < T > (t); enZZ+|h
} cV0CI&
} ; ,c^nW
>p@b$po
?>7-a~*A@
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: KK #E
qJ
9(q(;|;Hp
static holder _1; #T2J +
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 3 (\D.Z
@y~kQ5k
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); @v^j<B
而不用手动写一个函数对象。 }mK,Bi?bj
;*t#:U*
-y$6gCRY
ls&H oJ7
四. 问题分析 &mmaoWR
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 5qW>#pTFVV
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 rIJPgF
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。
UWqD)6
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 A]5];c
下面我们可以对这几个问题进行分析。 YS){N=g&'
Y1I)w^}:
五. 问题1:一致性 A] 'jsv!+
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| ,!@ MLn
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 /z4c>)fV
Y8]@y0(
struct holder dd<l;4(
{ z)U7
// Dqii60
template < typename T > qD ?`Yd
T & operator ()( const T & r) const @-L]mLY
{ bTrusSAl
return (T & )r; <7F-WR/2n
} |k90aQO
} ; AQ@)'
rvy%8%e?
这样的话assignment也必须相应改动: hEu_mw#
0V>HoH
template < typename Left, typename Right > ?.%dQ0
class assignment r>FwJm!
{ ]#^v754X^T
Left l; ]S[/a
Right r; E5)0YYjHZ
public : 9l&q}
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} gee~>l
template < typename T2 > :,aY|2si
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Sk>=C0f:
} ; !|xB>d
q?
t~j6w sx;
同时,holder的operator=也需要改动: `3i>e<m~
<MkvlLu((o
template < typename T > {~ F|"v
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const @}g3\xLiK
{ 2{63:f1c`'
return assignment < holder, T > ( * this , t); :M6v<Kg{;
} 8I/3T
+71<B>L
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 qc
@cdi
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 0LH6G[
wCNn/%C
return l(rhs) = r; I
]ZZN6"
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 r5S/lp+Y+N
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ;Go^)bN
;
4BCe;Q^6
template < typename Tp > ^g vTc+|
class constant_t zU~ Ff"<
{ -i2rcH
const Tp t; b|Emu!9U
public : |_TI/i>?'
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} px K&aY8
template < typename T > )/>BgXwH
const Tp & operator ()( const T & r) const [M~tH *4"
{ O%\cRn8m
return t; 77O$^fG2
} [m0X kvd
} ; /"?DOsJ.
W<prY
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 yj&GJuNb~
下面就可以修改holder的operator=了 cZ:jht
>jAFt_
template < typename T > +:;ddV
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const bp:`m>4<
{ K$h\<_V
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); y'!OA+ob
} H)D|lt5xy
%T]^,y$n
同时也要修改assignment的operator() K9k!P8Rd
[A84R04_%
template < typename T2 > n>y,{"J{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } [cd1Mf:[Y
现在代码看起来就很一致了。 ]A=\P,D
~?ezd0
六. 问题2:链式操作 )xV37]
现在让我们来看看如何处理链式操作。 PO"lY'W.U
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。 'l.tV7
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。 )dhR&@r*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。 9hIKx:XCg
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Ldz]FB|
!2Nk
template < typename T > xjo`u:BH
struct result_1 )DXt_leLg
{ <3B^5p\/
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; kPs?
} ; 80@\e
Bgm8IK)6
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: a(A~S u97
c{/R?<
template < typename T > Z2$_9.
struct ref
`;6M|5G
{ ?CQE6ch
typedef T & reference; H<_Tn$<zH.
} ; 3s!6rT_=)d
template < typename T > ^~[7])}g6
struct ref < T &> v zg^tJ
{ E#,"C`&*
typedef T & reference; s0?'mC+p
} ; Qt+D ,X
KNAvLcg
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Dz~0(
-pYmM d,
template < typename T > Ea@0>_U|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const f1_; da
{
pRobx
return l(t) = r(t); L K#A
} N# }w1]
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。 _k2R^/9Ct%
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 QAV6{QShj
dP8qP_77A~
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 kT@ITA22
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: dA hcA.
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ;\0|1Eem`
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 lz0-5z+\
最后的布局是: , lR(5ZI
Add 6LDZ|K@
/ \ a 20w.6F
Divide 5 iP(MDVg
/ \ >j=ZB3yZ
_1 3 U7g`R@
似乎一切都解决了?不。 $#hU_vr
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。 E'f7=ChNF
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。 caQ1SV^{9
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: SiaNL:
!.j{vvQ/
template < typename Right > s1 >8uW
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const |URfw5Hm
Right & rt) const %" H:z
{ cn} CI
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1yE',9?
} 7T)y"PZ
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ]eGa_Ld
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。 8UjIC4'
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。 CB#2XS>V
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。 ^&YtZjV
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。 fYP,V0P
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? fF0K].
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: 'bl9fO4v
;
pBLmm*F
template < class Action > ^s6~*n<fH
class picker : public Action jv~#'=T'
{ F `:Q
public : bra2xHK@
picker( const Action & act) : Action(act) {} Sn-#Y(>]o0
// all the operator overloaded )jL@GW
} ; 0OHXg=
P;I,f
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。 #!Cg$6%x9
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 3 ~P$p<
d8:
$ll
template < typename Right > }6[jJ`=gOx
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const _|C3\x1c
{ I'P|:XKI
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); _K9PA[m5~
} 3J"`mQ
uY~mi9E
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > /9ORVV
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。 IMD^(k 2
Ja3#W
K
template < typename T > struct picker_maker {Ycgq%1>]
{ \>:t={>;
typedef picker < constant_t < T > > result; P[ o"%NZ'
} ; $R#_c}
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > hD5@PeLh
{ GcRH$,<XG
typedef picker < T > result; {O _X/y~
} ; 'QE8
X]}ai5
下面总的结构就有了: 6E) T;R(@
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。 co\?SgE35
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。 w]MI3_|'r(
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ODu/B'*
至此链式操作完美实现。 oX)a6FXK>
l)$mpMgAD
[Z/P[370
七. 问题3 @~2k5pa
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。 AIOGa<^
@].s^ss9_
template < typename T1, typename T2 > 6g-jhsW6
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const &G%AQpDW5
{ i}LQ}35@
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); qE2<vjRg
} |h $Gs2
*=@8t^fa86
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: l atm_\
?3N/#
template < typename T1, typename T2 > ]rGd!"q
struct result_2 Q3ZGN1aX<
{ :gRrM)n
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 2f:h z
} ; nycJZ}f:wP
jF6Q:`k
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? AT
t.}-
这个差事就留给了holder自己。 1R-0b{w[
1W*Qc_5 v1
?:vg`m!*
template < int Order > wOL%otEf
class holder; 53uptQ{
template <> 3SWDPy
class holder < 1 > z]g#2xD2
{ {0j,U\ kb
public : X{xkXg8h
template < typename T > u*l>)_HD
struct result_1 rIPg,4y*S!
{ %pg)*>P h
typedef T & result; Z=-#{{bv
} ; AIl`>ac
template < typename T1, typename T2 > TCzz]?G]la
struct result_2 IJ.H/l}h
{ kN 2mPD/
typedef T1 & result; <*iFVjSI(
} ; hlyh8=Z6o
template < typename T > ?z)2\D
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const j*8Ze!^
{ %zc.b
return (T & )r; G{.=27
} 7oLl RU
template < typename T1, typename T2 > <2j$P Y9
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 5Qg*j/z?
{ nS$4[!0
return (T1 & )r1; TS=%iMa
} zk70D_}L
} ; vyc<RjS_x
d<?Zaehe\
template <> :OU(fz]
class holder < 2 > T:Q+ Z }v+
{ M97+YMY)
public : 49/2E@G4.
template < typename T > aEQrBs
struct result_1 dG3?(}p+
{ w2 (}pz:
typedef T & result; unYPvrd
} ; ZyU/ .Uk
template < typename T1, typename T2 > 6;Izw$X
struct result_2 !U5Cwq
{
svo%NQ
typedef T2 & result; h Q Att
} ; :n<l0
template < typename T > ~>]Ie~E: (
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;mV>k_AG
{ QncjSaEE
return (T & )r; S%
ptG$Z
} Y,n8co^
template < typename T1, typename T2 > *s1o?'e
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const U2_;
{ =*4^Dtp
return (T2 & )r2; ^l(,'>Cn
} j}h%,
7
} ; {>R933fap
][z!};
ctgH/SU
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> >。 t- //.
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Zjc/GO
首先 assignment::operator(int, int)被调用: $ ga,$G
2Sy:wt
return l(i, j) = r(i, j); D_f:D^
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) h9A=20fj
@uxg;dyI~
return ( int & )i; Exi#@-
return ( int & )j; >hnhV6ss
最后执行i = j; }&ew}'*9)
可见,参数被正确的选择了。 5*"WS $
) \cnz
}sZy |dd
bnp:J|(ld
C`oB [
八. 中期总结 ;%n(ARZ#
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: $H,9GIivD
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 [eF|2:
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Y% [H:
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor &6Wim<*
jN+2+P%OL
mh_GYzd
\bSakh71
H/#WpRg
fK4O
N'[R:
九. 简化 )]}68}9
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 Df$Yn
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 z_&T>ME
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: C5^N)-]"
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 A.P*@}9
+-*/&|^等 YBk* CW9
2. 返回引用。 uvD*]zX
=,各种复合赋值等 Mb%[Qp60
3. 返回固定类型。 w^$$'5=
各种逻辑/比较操作符(返回bool) dfeN_0`-
4. 原样返回。 B<!wh
operator, P_N},Xry
5. 返回解引用的类型。 kdm@1x
operator*(单目) ,+g0#8?p^x
6. 返回地址。 #4sSt-s&
operator&(单目) ^[ >
7. 下表访问返回类型。 0?g&