一. 什么是Lambda %$F_oO7"
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 KMXd
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, <tv"I-2
S"%W^)mZ
3-gy)5.xe
SHQgI<D7
class filler 0}q*s!
{ *l)}o4-$
public : GriFb]ml"
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} c3N,P<#
} ; ~8Ez K_c
Xz"xp8Hc(6
;O {"\H6
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: Nuaq{cl
9-EdT4=r,
V1\Rj0#G
*z__$!LR
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); O5ZR{f&
]JlM/
S5e"}.]|
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 |H;+9(
4S*dNYc
"]B%V!@
fz<GPw
二. 战前分析 @"n]v)[4
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。 Svm'ds7>
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 !JbWxGN`jn
{YEGy
\Z_29L w=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); beFD}`
/* --------------------------------------------- */ G=&nwSL
vector < int *> vp( 10 ); b5W(}ka+
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 8b< 'jft
/* --------------------------------------------- */ !f G}<6&i
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); QW2SFpE
/* --------------------------------------------- */ %VS+?4ww
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); KVPWJHGr
/* --------------------------------------------- */ 4E@_Fn_#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); VVk8z6W
/* --------------------------------------------- */ Ag}P
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); S&NWZ:E3[
Jm,tN/o*
&e99P{\D
\`-a'u=S
看了之后,我们可以思考一些问题: _z53r+A
1._1, _2是什么?
ITfz/d8
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。 ?cB26Zrcb
2._1 = 1是在做什么? {=9"WN
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。 N;*
wd<
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。 ->2m/d4a
r?HbApV P
GxA[N
三. 动工 $J*lD-h-
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: @gk{wh>c
[n&SA]a
P9q ZjBS
m[tsG=XBN
template < typename T > PBgU/zVn
class assignment w/@ tH
{ WntolYd
T value; gq050Bl)
public : "8/BVW^bv
assignment( const T & v) : value(v) {} -GYJ)f
template < typename T2 > i)7B :uA
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } c N~F32<
} ; FLLfTkXdI
0D&-BAzi
hSG1f`
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 7-d.eNQl
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment H.&"~eH
6)_h'v<|M
jQdIeQD+
=*KY)X
class holder 8B3C[?
{ O8/r-?4.
public : 8Od7e`
template < typename T > U;LX"'}
assignment < T > operator = ( const T & t) const d t^Hd]+^\
{ !nTI(--
return assignment < T > (t); vo^2k13
} K?*p|&Fi?8
} ; g:Ry.=F7W
%Q zk aXJ
,Gy2$mglB
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: c6tH'oV
K/z2.Npn
static holder _1; 8JU{]Z!G<;
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 [vOk=
:]9CdkaU
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); .-GC,&RO
而不用手动写一个函数对象。 S>y}|MG
iO 7s zi
lCGEd 3
%:\GYs(Y
四. 问题分析 A}_0iwG
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。 VbX$\Cs:
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。 EXti
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 QI`&N(n
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 uLrZl0%HT~
下面我们可以对这几个问题进行分析。 >9t+lr1
a"phwCc"%
五. 问题1:一致性 0](V@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?| 3z
-="_p
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 t!o=-k
K9) |b`E=
struct holder d)L,kzN
{ rs,:pU
// >Zh^,T={G
template < typename T > i&0Zli
T & operator ()( const T & r) const .Zr3!N.t
{ Ted!*HKlB
return (T & )r; A\|:hzu+
} zA8Tp8(
} ; :Jo[bm
_^`TG]F
这样的话assignment也必须相应改动: `:
9n
]xP
F{laA YE
template < typename Left, typename Right > ;n.SRy6
class assignment VN]j*$5
{ o_cAelI[!
Left l; xmHW,#%ui\
Right r; ,soXX_Y>
public : OZ}o||/Rc
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} p+16*f9,^
template < typename T2 > BQ(sjJ$v6F
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } M4E==
} ; ek` 6 Uf
^_k`@SU
同时,holder的operator=也需要改动: rmPJid[8B~
Wt!8.d}=
template < typename T > "B*UZ.cC
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const -*W\$P
{ '3
JVUHn
return assignment < holder, T > ( * this , t); Iy Vmz'
} lQG;WVqW
2tZ\/6G<
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。 g&X
X@I8+v
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 N\85fPSMG|
)5w# n1
return l(rhs) = r; kcE86Y=|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。 +q] kpkG!
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: U|v@v@IBA
+5H1n(6)
template < typename Tp > "O8iO!:
class constant_t @m9dB P
{ qm"AatA
const Tp t; IY}{1[<N
public : _vUId?9@+e
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} #-kx$(''V
template < typename T > @[~j|YH}
const Tp & operator ()( const T & r) const >[4CQK`U
{ nk2H^RM^
return t; RU\MT'E>(
} @Op7OFY%
} ; Qk].^'\
rDC=rG
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 >g2Z t;*@w
下面就可以修改holder的operator=了 Q'0:k{G
oPrK{flm
template < typename T > J1Oe`my
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const lSBu,UQP
{ y~Vl0f;
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); O]G3 l0
} }ssL;q
F,@uYMQs
同时也要修改assignment的operator() pI}6AAs}Z
F\-oZ#g
template < typename T2 > `}~NZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } FH7l6b,^
现在代码看起来就很一致了。 lD,;xuQ
TCK<IZKLqK
六. 问题2:链式操作 3($tD*!o
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ]~\%ANoi
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。 ef:YYt{|q
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。 B4w/cIj_
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。 L+.-aB2!d
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct UGQHwz
`ex>q
template < typename T > HlXEU$e
struct result_1 ||'A9
{ nmClP
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 53l !$#o
} ; I04c7cDp
6gB;m$:fV
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: U^&y*gX1
'(SqHP|8&g
template < typename T > \{a 64
struct ref kD#hfYs)i
{ 1!A'mkk8
typedef T & reference; 0t -=*7w%
} ; #*
Iyvx
template < typename T > )J1xO^tE
struct ref < T &> 0>U7]wZKc
{ ShJBOaE; -
typedef T & reference; J@o$V- KK
} ; ,XsBm+Q(
5XinZ~
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 7?qRz
sYd)r%%AU
template < typename T > d1u6*&@lf
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 7xCm"jgP
{ y
hNy
return l(t) = r(t); 5wa!pR\c
} 3EA`]&d>
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。 h8:5[;e
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 EOG&Xa
T49^
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 5`{u! QE
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: C |P(,Xp
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 \' >d.'d
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 7-4S'rq+
最后的布局是: *iXaQu T
Add dd!Q[]$ }
/ \ C$^WW}S
Divide 5 AO]1`b:
/ \ KWH:tFL.
_1 3 8P*wt'Q$
似乎一切都解决了?不。 TH? wXd\
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。 C*Wyw]:r
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。 AQgm]ex<
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: o*:D/"gb
b$=c(@]
template < typename Right > aa/_:V@$~
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ,W5!=\Gg(
Right & rt) const 2\9OT>
{ KvtJtql;
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); '?qI_LP?
}
8RU91H8fE
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 7>xfQ
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。 g!!:o(k
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。 U&u~i
3
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。 :KBy(}V
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。 gi<%: [jT
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? <Eh_
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: WU{9lL=
|/~ISB
template < class Action > ~o8x3`CoF
class picker : public Action 3(=QY)
{ h:{^&d
a
public : e6_`
picker( const Action & act) : Action(act) {} RBV*e9P%
// all the operator overloaded TQ25"bWi
} ; &eWnS~hJ
#EIcP=1m4
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。 fU^5Dl
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: TS@U0Ror
iKA qM{(
template < typename Right > 4[n[Ch=lu
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +=#@1k~
{ %(izKJl q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); {lN G:o
} /H :Bu
Ed>n/)Sm
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > |!uC [=
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。 Hzojv<c
IS%e5
template < typename T > struct picker_maker A\QrawBp0l
{ M`QK{$1p
typedef picker < constant_t < T > > result; QHw{@*
} ; bipA{VU
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > t9[%o=N~lD
{ \_AoG8B
typedef picker < T > result; 5~=wia
} ; Fz^5cxmw
x)-n[Fu
下面总的结构就有了: 8QN/D\uq
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 dW#?{n-H<
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 T)*tCp]
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Q6=>*}Cm6m
至此链式操作完美实现。 YbP}d&L
h3z9}'
smat6p[
七. 问题3 c{wob%!>
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 %DuSco"
ky@DH(^>
template < typename T1, typename T2 > JeU1r-i
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const apv"s+
{ E
rnGX#@v
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); PAs.T4Av^
} ZG1 {"J/z
%^(} fu
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Ls{]ohP
h#]LXs
template < typename T1, typename T2 > wo_iCjmK
struct result_2 L?r\J8Ch<
{ p@%H.
5&&
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; uAv'%/
} ; l8RKwECdPn
[_zoJ
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? RbJbVFz8C
这个差事就留给了holder自己。
W>m#Mz
8t1,_,2'
\zV'YeG
template < int Order > +3o
4KB}
class holder; 4/E>k <MA
template <> -k}&{v
class holder < 1 > jQY^[A
{ 1eMaKT_=
public : !k=~a]
template < typename T > zH1ChgF=}
struct result_1 95oh}c
{ <O9.GHV1v
typedef T & result; w"A%@<V3Ec
} ; k~pbXA*u
template < typename T1, typename T2 > H263<^
struct result_2 G-W(giF;NO
{ uG7ll5Yy
typedef T1 & result; s]i<D9h
} ; 6|ENDd[
template < typename T > l&6+ykQ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const tk'3Q 1L
{ }d 16xp
return (T & )r; 0A.9<&Lod
} W0KSLxM
template < typename T1, typename T2 > E?F?)!%
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const T``~YoIdz
{ _43 :1!os
return (T1 & )r1; 3R ZD=`
} znu[i&\=
} ; i`" L?3T
JsbH'l
template <> D8wZC'7
class holder < 2 > I>45xVA
{ q?Av5TFf
public : 'tun;Y
template < typename T > p$bR M`R&s
struct result_1 ;Ak 6*Sr
{ 6%2\bI.#
typedef T & result; )}5f'TK
} ; O
-N>
X
template < typename T1, typename T2 > =-8y=
struct result_2 )GF>]|CG
{ Dp"
xO<PE2
typedef T2 & result; 0}
Lx}2
} ; >d#Ks0\&
template < typename T > S}XVr?l2O
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const %XK<[BF
{ \%/zf
return (T & )r; 6'QlC+E
} j[\aGS7u
template < typename T1, typename T2 > s14; \
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const XyE%<]
{ qjVhBu7A
return (T2 & )r2; iV8O<en&i
}
#dm"!I>g
} ; pPtw(5bH
+*P;Vb6 D
yB,{:kq7D
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> >。 :gacP?
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: /2AeJH\-
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Q>[GD(8k
%2`geN<
return l(i, j) = r(i, j); wNhtw'E8
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) L4H5#?'
8cv [|`<
return ( int & )i; a0[Mx 4
return ( int & )j; %!QY:[
最后执行i = j; ;+iw?"
可见,参数被正确的选择了。 SoJ'y6
=9'px3:'WR
`]\:%+-
I85bzzZB
R.B3
八. 中期总结 6qp'
_?
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: QX&1BKqWn
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 coFQu ;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。 osW"b"_f
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor a gM I$
;,F:.<P
CXfPC[o
3QO*1P@q
ql
c{k/
u
=pR'XF%
九. 简化 k&8&