一. 什么是Lambda z5`AJrj%
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 4{4VC"fa
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, ))m\d *
Z6C!-a
6D3hX>K4
TLbnG$VQS
class filler Em8q1P$tm>
{ [w*YH5kX
public : vpnQ s#8O
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 1;8=,&
} ; Aiyx!Q6vT
Kv(2x3("
%f3qCN
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|[p4*6
0?c2=Y
Ai>=n;
z OwKh>]
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); +I~`Ob
LF6PKS
IBfLb(I
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 _v=S4A#tF
WEy$SN+P
V+`gkWe/
/`6Y-8e2
二. 战前分析 ].ZfTrM]
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Aw?i6d
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 b;Nm$`2
VZveNz@]r
S +wy^x@@
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); v=m!$~
/* --------------------------------------------- */ b$@vJ7V!
vector < int *> vp( 10 ); P ?^h
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); `G/%U~
/* --------------------------------------------- */ hSAdD!
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); Ygeg[S!7
/* --------------------------------------------- */ |h^[/
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); D;?cf+6$
/* --------------------------------------------- */ uX/K/4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 4Fu:ov
]M
/* --------------------------------------------- */ 6=pE5UfT
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); TA4>12C6
TEJn;D<1I,
PI G3kJ
"mk@p=d
看了之后,我们可以思考一些问题: [|qV*3|?
1._1, _2是什么? ?.{SYaS
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。 0Y>5&
2._1 = 1是在做什么? d9=i{i3
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。 KUD.hK.
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。 8n&Gn%DvX
CJa`[;i0y
;{L ~|q J
三. 动工 1
b&<De
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: d/&W[jJ
F>F2Yql&W
']bw37_U,
!+Fr U'^
template < typename T > nmo<t]
class assignment !eu\ShI
{ n[KL Y!
T value;
N%f%
U
public : OA7YWk<K
assignment( const T & v) : value(v) {} wo+b":
template < typename T2 > P:#KBF;a
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } MD):g@
} ; p3,m),
A+=K<e
Y&uwi:_g
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 {Mpx33
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment PyoIhe&ep
| LXVf
9,?7mgZp
b!<\#[
A4
class holder *t{^P*pc
{ O#@G
.~n?
public : =OeLF
template < typename T > -Hh.8(!XoO
assignment < T > operator = ( const T & t) const aGAeRF
{ Kh8
return assignment < T > (t); e?7Oom
} |SfCuV#g/<
} ; ^]NFr*'!
hHk9O?
*!.anbo@?z
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: +-!2nk`"a
C"QB`f:
static holder _1; R $@$
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 >}E
QuIZpP=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); G ?Hx"3:?
而不用手动写一个函数对象。 cN:dy#
(DkfLadB
W)<t7q+
/5Sd?pW;
四. 问题分析 aH_0EBRc
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。 N;v]ypak
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。 UP7?9\
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 aL&nD1f=!-
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 >QdT7gB
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ,u=+%6b)A
qfX26<q
五. 问题1:一致性 RF= $SMTk
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| '5(T0Ws/w
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 [:zP]l.|
_3IRj=Cs
struct holder ,h9?o
{ =6
3tp 9
// J$U_/b.mk
template < typename T > g2?yT ?
T & operator ()( const T & r) const *c>B-Fo/D
{ V`8\)FFG
return (T & )r; Q
ZC\%X8j
} Ciy%7_~\
} ; >Q=Q%~
=Qf{
这样的话assignment也必须相应改动: ~9PZ/(
'
DYoGtks(
template < typename Left, typename Right > g;Zy3
class assignment 4hxa|f
{ _'4S1
Left l; ,pY:kQ
Right r; Q/q>mN"#1
public : 6Jq3l_
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} hV+=hX<h
template < typename T2 > ?E<9H/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } gLRDd~H
} ; !b=W>5h
S503b*pM
同时,holder的operator=也需要改动: GKKDO+A=!
rHi4Pw{L
template < typename T > n wMq~I*1
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const F+ 7*SImv6
{ #h P>IU
return assignment < holder, T > ( * this , t); G{{M'1
} nEPTTp+B
` Z/ MQ
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。 7<Qmpcp =
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 N}1yDN
-w>ss&
return l(rhs) = r; EqGpo_
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。 1w,34*- }
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 1Vx5tOq
[9B1 %W
template < typename Tp > !Qf*d;wxn(
class constant_t CxNxb)c &
{ 3Fxr=
const Tp t; J .VZD
public : $7ix(WL<%
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} bdY:-8!3
template < typename T > c&x1aF "B
const Tp & operator ()( const T & r) const #@xB ?u-0q
{ qGX#(,E9;
return t; =R~zD4{"
} Zxhbnl6
} ; ~
rQ,%dH
^8A[
^cgq
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 2P)O
0j\/
下面就可以修改holder的operator=了 VX82n,'=t
FUlhEH
template < typename T > "*.N'J\
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const vf$IF|
{ M0~%[nX
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); O`@-
b#
} Goc?HR
dq`{fqGl
同时也要修改assignment的operator() h6OQeZ.
"bDj00nwh
template < typename T2 > $B_%MfI
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Lt=32SvTn
现在代码看起来就很一致了。 jU7[z$GX
1kw*Q:
六. 问题2:链式操作 3l45(%g+
现在让我们来看看如何处理链式操作。 11YJW-V
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。 KYtCN+vsG
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。 G_J}^B*?%v
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。 16Jq*hKU
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct _@!vF,Wcf
ooUVVp
template < typename T > y.J>}[\&x
struct result_1 [A/2
M s
{ W dD889\
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; H$C*&p
} ; 0VSIyG_Z
1(dKb
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: t@9-LYbL
7/51_=%kR
template < typename T > 1 =C12
struct ref )=d)j^t9
{ h=gtuaR4
typedef T & reference; rMi\#[oB
} ; Fd\uTxykp
template < typename T > f"P866@oWn
struct ref < T &> fc8ODk*;E
{
IPK1g3Z
typedef T & reference; JJ
?'<)EF
} ; 3PZ(Kn<
<
$e#o H
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: m^!j)\sM5
7Tdx*1 U
template < typename T > a;Y:UwD9*
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const !zF07.(E
{ n|&=6hiI
return l(t) = r(t); <_<zrXc]
} _7Y-gy#\a
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 "WQ6[;&V
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 6,q_M(;c
5%WAnh
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 sV,Yz3E<u$
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: bRy(`
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 M.t,o\xl
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Lk,q~
最后的布局是: c, .@Cc2
Add uK$ Xqo%L
/ \ F +(S-Qk1
Divide 5 fEXFnQ#
/ \ S,6/X.QBv
_1 3 YZ+G7D>
似乎一切都解决了?不。 NL$z4m0
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。 ZBpcC0
z
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。 X/2GTU7?
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: _MTZuhY
c.Hw
K\IU
template < typename Right >
9)W3\I>U-
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const "/e)v{
Right & rt) const g{6jN
{ 81:%Z&?vRl
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); eZ(ThA*2=t
} 06^/zr
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 b`D]L/}pr
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。 A(E}2iP9=
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。 jOzXy Dq
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。 NT5=%X]
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。 ,H+Y1N4W(
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? mP
}<{oh`x
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: we`BqZV
Q&r.wV|
template < class Action > 3W[?D8yi)
class picker : public Action J^jd@E
{ $3 -QM
public : KF+r25uy[+
picker( const Action & act) : Action(act) {} OgIRI8L
// all the operator overloaded r6uN6XCM
} ; i8e*9;4@
stajTN*J
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 *w4#D:g
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: zw15r" R
n46!H0mJ
template < typename Right > H%Gz"
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const !xck
~EAS
{
%p
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); K:'^f? P
} ^zV_vB)n
J";N^OR{A%
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > |E?r+]
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ]m1p<*0I$
41Q5%2
template < typename T > struct picker_maker zJy=1r
{ kVWcf-f
typedef picker < constant_t < T > > result; pTq DPU
} ; G1jj:]1
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > hH5~T5?\
{ :po6%}hn
typedef picker < T > result; #&kj>
} ; i#b /.oa
m_0y ]RfG
下面总的结构就有了: ``jNj1t{}
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。 vwu/33
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。 qA)YYg/G
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 .kU^)H"l
至此链式操作完美实现。 ow9a^|@a
f:+/=MW
_-({MX[3k<
七. 问题3 n?cC]k;P~
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。 cX
C [O
WlQCP C
template < typename T1, typename T2 > -W^{)%4g
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ^7+;XUyg
{ 'k\j[fk/K
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 34!.5^T
} ZT!8h$SE:
\54B
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Jfr'OD2$ %
^OQP;5 #K
template < typename T1, typename T2 > xS_;p9{E
struct result_2 &6OY^6<
{ J'
uaZI>'
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; @Nsn0-B?ne
} ; bdstxjJ`
:Y /aT[
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? *Lrrl
这个差事就留给了holder自己。 (Z$7;OAI
?aTH<
3LfF{ED@
template < int Order > x`7Le&4f
class holder; j}.gK6Yq*
template <> ]>)shH=Yx
class holder < 1 > Vn5%%?]J
{ >4wigc
public : 9U<WR*H
template < typename T > YG0/e#5
struct result_1 Bv~^keuj3t
{ !b!An; ',
typedef T & result; DDmC3
} ; geK;r0(f
template < typename T1, typename T2 > C{*?
struct result_2 kXhd]7ru
{ :|5 m"X\
typedef T1 & result; c$[2tZ
} ; *bpN!2
template < typename T > 0);5cbV7i
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const +$ djX=3
{ \,NT5>
return (T & )r; &J/!D#
} ~N9k8eT
template < typename T1, typename T2 > :K~@JlJd
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 1-4[w
*u>
{ 9)b{U2&
return (T1 & )r1; e \kR/<L
} F')E)tV
} ; E[CvxVCx
;%>X+/.y0
template <> ``Um$i~e%
class holder < 2 > ]/R>nT
{ ,:81DA
public : u7p:6W
template < typename T > z%6egi>
struct result_1 N7s9"i
{ HqOnZ>D
typedef T & result; uxq#q1
} ; #TP Y%
template < typename T1, typename T2 > dt>!=<|k
struct result_2 9FT==>
{ !<-+}X+o8$
typedef T2 & result; _B ]Bd@<w
} ; V/"41
template < typename T > sg]g;U
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const &)~LGWBdC
{ A_6Dol=J@
return (T & )r; 0wETv
} ?N%5c%oF
template < typename T1, typename T2 > P6tJo{l8w
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Hp
fTuydU
{ twTRw:.!f
return (T2 & )r2; \g@jc OKU
} 4MgG]
} ; Rk{2ZUeg
tkix@Q!;\
TF,a`?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> >。 NQvT4.*
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: %A(hmC
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Yr:$)ap
&cx]7:;
return l(i, j) = r(i, j); K;f=l5
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) U09@pne8
L\kT9wWK|
return ( int & )i; 0k|/]zfb
return ( int & )j; tbi(e49S
最后执行i = j; 0h 2MmI#
可见,参数被正确的选择了。 z;i4F.p
4b$m\hoN
&[}5yos
r
.rbKvd?-}
{S5D~A*a+
八. 中期总结 i>rsq[l
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: 7otqGE\2
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 >qIZ
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 QnDLSMx)
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor l'Z `%}R
DWJkN4}o
kC6s_k
v&ZI<Xt+
_:;j)J0
evGUSol?:n
九. 简化 Fqp~1>wi
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。 GUK3`}!%
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 CU(W0D
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: ;]h:63S
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 S1n'r}z8
+-*/&|^等 =R\-mov$
2. 返回引用。 32V,25 (`5
=,各种复合赋值等 ,TxZ:f`"
3. 返回固定类型。 -`ykVHgg
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Th//u I+
4. 原样返回。 q&wXs