一. 什么是Lambda w6FVSU]sY
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 WSV[)-=:
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, 0D:e P``
L qdzqq
WuUT>omH
hsZ}FLStJ
class filler qS}pv
{ )3A%Un#B
public : 6 Z7J<0
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} VH2/
} ; =]<JkWSk
^dCSk==
m0_B[dw
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: 3P[u>xE
3E]IEf
$G@^!(
9G"-~C"e3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); z1`z
k0
)*I%rN8b
f+W8Gszi
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ruTj#tWSo
C8bv%9
DY6ra% T
(D
<o=Q
二. 战前分析 fS?fNtD6<
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Od@<L
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ygSvYMC
SE<hZLd"
8j<+ '
R
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 9o|#R&0
/* --------------------------------------------- */ QQIU5
vector < int *> vp( 10 ); Y%A
KN
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); H]d'#1G
/* --------------------------------------------- */ 95X!{\
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); k=8L hO
/* --------------------------------------------- */ ~s UWXw7~
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); T_1p1Sg
/* --------------------------------------------- */ tpP2dg9dF
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); {_<,5)c
/* --------------------------------------------- */ }$T!qMst{
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); ?~#{3b
'p:L"L}Q?
aq<QKnU
P|{Et=R`1
看了之后,我们可以思考一些问题: [tY+P7j9)
1._1, _2是什么? GYM6 `
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。 >h<bYk "9Q
2._1 = 1是在做什么? Isna
KcLM
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。 z3>oUq{
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。 %zA$+eT
_mSQ>BBRl
S+Vsy(
三. 动工 Yiy|^j
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: sg!*%*XQ
D"RxI)"HP
~A =?_ 5kJ
5xF R7%_&
template < typename T > 'YUx&FcM
class assignment sM8 AORd
{ k9iXVYQ.;r
T value; baL-~`(T
public : y/}ENUGR
assignment( const T & v) : value(v) {} {po f=G
template < typename T2 > y$^.HI02jP
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } b/g"ws_
} ; l5bd);Ltq
e:H9!
SuU %x2
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 jQ[M4)>_k`
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment +HxL>\
OlI {VszR
RIQw+RG>
Ul?92
class holder 2r~&+0sBP
{ =-GHs$u%f
public : *zR
template < typename T > YDMimis\H5
assignment < T > operator = ( const T & t) const baVSQtda
{ b 7%O[
return assignment < T > (t); l-mf~{
} ~0~f
} ; OK"B`*
P Zc{wbjp&
wRi` L7
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: j/9Uf|z-_
K@PQLL#yJp
static holder _1; :x<'>)6
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 kW=GFj)L
x3>PM]r(V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 1~#2AdG
而不用手动写一个函数对象。 g~AOKHUP
td6$w:SN,l
@xI:ZtM
4[]/
四. 问题分析 "x)xjL
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。 HRY?[+
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。 CL-mt5Kx#7
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 L9=D,C~
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 /\_wDi+#
下面我们可以对这几个问题进行分析。 *NDM{WB|)
*4tJ|m6"Y6
五. 问题1:一致性 CNiUHUD
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?| xXktMlI
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 D/&^Y'|T
iS"(
struct holder lV0\UySH
{ NHCdf*
// -OS&(7
template < typename T > k'K&GF1B
T & operator ()( const T & r) const '`*{ig
{ AShnCL8uR
return (T & )r; a|x1aN0
} {G
D<s))
} ; 1*"t-+|
DGwN*>X
这样的话assignment也必须相应改动: rK\)
:OVre*j
template < typename Left, typename Right > t
TAqln|
class assignment !Bv"S0
{ H-sJt:
Left l; 1.Ximom
Right r; 8SGFzb! h
public : BF_R8H,<%
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Z/wKUK;
template < typename T2 > D{{ME8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } %`P6a38j
} ; Y70[Nz
bJo)rM:m
同时,holder的operator=也需要改动: y@kRJ 8d
9aR-kcvJIJ
template < typename T > 9$ z|kwU
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const E,[@jxP
{ G' ~Z'
return assignment < holder, T > ( * this , t); mOb*VH
} 5UQz6DK
[`~E)B1Y
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。 >h0iq
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 V^P]QQ\
)
DB'd9<
return l(rhs) = r; TRl,L5wd-?
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。 v:Av2y
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: X4:\Shb97
1jJ>(S
template < typename Tp > f;C*J1y
class constant_t S`Jo^!VJ4
{ :)UF#
const Tp t; 8X@p?43
public : S0\;FmLIc
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} bm>,$GW(
template < typename T > E*ug.nxy
const Tp & operator ()( const T & r) const K 9ytot
{ 'E{n1[b
return t; @?$x
} Dk!;s8}*c
} ; +mQMzZZTZ
cY|?iEVs)
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 pcd*K)
下面就可以修改holder的operator=了 cuO)cj]@e
,&$+{3
template < typename T > Q2c|sK8
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const W)dQyZ>J
{ I+,~pmn:
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t));
G[}$s7@k
} W0X/&v,k*
H uPw?8w=
同时也要修改assignment的operator() =/Ob
kVYf
|F
}y6 gH
template < typename T2 > U[EM<5@I
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } +/tNd2
现在代码看起来就很一致了。 :Yi1#
Wj"\nT4
六. 问题2:链式操作 }fps~R
现在让我们来看看如何处理链式操作。 @l)HX'z0d
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。 >hkmL](^
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。 Y40`~
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。 iGxlB
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Lo^0VD!O
Yj/aa0Ka4
template < typename T > cFcn61x-
struct result_1 (yjx+K_[
{ u^DfRd&P0
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; H ?Vo#/
} ; :DI``]Si\
Y}<w)b1e|
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: aDrF"j
b&AGVWhh
template < typename T > >K
}j}M%
struct ref J9!}8uD
{ S
VCTiG8t
typedef T & reference; \J*~AT~5q
} ; "gD]K=
template < typename T > E8_j?X1
struct ref < T &> OF [y$<jM
{ MKqMH,O
typedef T & reference; T5*
t~`bfU
} ; ch|4"&g
BHoy:Tp
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: KIY/nu
Af~>}-`a
template < typename T > ObK-<kGcB
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ]mDsd* 1
{ {+`'ZU6C
return l(t) = r(t); v2OK/W,0
} V}?*kx~T2C
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 +m|S7yr'
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ^|u7+b'|t
8+HXGqcv
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 HPz9Er
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 7R4sd
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 &J>XKO nl
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 lD`@{A
最后的布局是: O*;$))<wX
Add >3{#S:
/ \ q1rBSlzN
Divide 5 DRp h?V\
/ \ ~ IPel
_1 3 iLQFce7d|&
似乎一切都解决了?不。 L#t^:%
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。 0:NCIsIm<
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。 RKI BFP8.
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: U/hf?T;
~.FeLWP
template < typename Right > "H{Etb/
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 9T`$gAI
Right & rt) const 9%+Nzo(Fd
{ v BP
5n
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Y^ Of
} ~3f`= r3/.
下面对该代码的一些细节方面作一些解释
fP+RuZ
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。 +<l6!r2Z
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。 +JyD W%a:L
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。 OoW,mmthj>
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。 XH^X4W
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? \fX0&l;T9\
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: K1S:P( S
r;>2L'
template < class Action > xIOYwVC
class picker : public Action %Aqt0e
{ b-)m'B}`
public : Q9Tt3h2ga
picker( const Action & act) : Action(act) {} = aO1uC|6C
// all the operator overloaded kn$2_I9
} ; kGz0`8URu
Ox | ?
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 O4)'78ATp
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: eo#2n8I>=1
j{8;5 ?x
template < typename Right > !?AgAsSmc
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const U?@ s`.
{ FfeX;pi
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4q9+a7@
} Yz%A Kp
c0I;8z`b
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > %S`ygc}|
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 hg2a,EU\Z
ILN Yh3
template < typename T > struct picker_maker MNuBZnO
{ `_MRf[Z}
typedef picker < constant_t < T > > result; I{/}pr>
} ; 3np |\i
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > _Wb3,E a=
{ 5`_UIYcI
typedef picker < T > result; ''Pu
} ; U4$}8~o4
TnuaP'xZ
下面总的结构就有了: g!QX#_~Il
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。 b0(bL_,
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。 `>HM<Nn-0
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 @IXvp3r
至此链式操作完美实现。 pr=f6~Z-y
;7:_:o[.
.RazjXAY
七. 问题3 j7(S=
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。 c"wk_#
rtjUHhF
template < typename T1, typename T2 > s%bm1$}
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const S17iYjy#8T
{ E;o
"^[we
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ;bYpMcH
} hL?"!
[-5l=j
r
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2:
~ERA
&06pUp
iS
template < typename T1, typename T2 > r_"=DLx6
struct result_2 bMA\_?
{ U} K]W>Z
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; G?,b51"
} ; <MQTOz
oj
PHxU6UPqy
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? (kY wD
这个差事就留给了holder自己。 I)(@'^)
)yTBtYw3
hZw bYvu
template < int Order > 4[XiD*
*
class holder; Fkvf[!Ci
template <> ZRy'lW
class holder < 1 > >)j`Q1Qc\
{ rOo|.4w
public : up;^,I
template < typename T > _{C
=d3
struct result_1 n40&4n
{ P\rA>ZY
typedef T & result; F97HFt6{
} ; )c<X.4
template < typename T1, typename T2 > ,hVDGif
struct result_2 v =]!Po&Q-
{ 6k=*O|r
typedef T1 & result; "9v4'"
} ; ]aZ3_<b
template < typename T > N51e.;
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const xf7_|l
{ nB9(y4
return (T & )r; AxAbU7m
} %E"dha JY
template < typename T1, typename T2 > -+HD5Hc
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const )JXlPU
{ c}G\F$
return (T1 & )r1; X(npgkVP\
} /J5)_>R:
} ; ]kir@NMv>
>Tp`Kri
template <> 2[X\*"MQ2
class holder < 2 > G_E \p%L>]
{ "nA~/t=
public : 8dUP_t~d#q
template < typename T > &~&oB;uR
struct result_1 cna/?V
{ T( z/Jm3
typedef T & result; ..fbRt
} ; `L
m9!?
template < typename T1, typename T2 >
'E)g )@^
struct result_2 i`7(5L~`
{ v\G+t2{
typedef T2 & result; |ERf3
} ; c>b{/92%
template < typename T > 2u%YRrp
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const :soR7oHZ
{ jmJeu@(
return (T & )r; #/
HQ?3h]
} /=[hRn@)A
template < typename T1, typename T2 > 6R|^IPOGp
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 5_[we1$P
{ S7h?tR*u
return (T2 & )r2; FT
Ytf4t
} % pQi}x
} ; 43s8a
&Vy.)0
~F.kgX
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ZkqZO#nq
C
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Zv5vYe9Ow
首先 assignment::operator(int, int)被调用: XR+
q^eLbivVE
return l(i, j) = r(i, j); nC5]IYL|
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) VLcwBdo
,DD}o
return ( int & )i; ho%G
return ( int & )j; 4XgzNwm
最后执行i = j; 0gsRBy
可见,参数被正确的选择了。 Nz%Yi?AF
kLe{3>}j
6^sH3=#
i'3)5
b6d}<b9#
八. 中期总结 7qLB 9r
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: M-/2{F[
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 S#b)RpY
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 sf Zb$T
J
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor >^GAfvW
"V<WC"
NArr2o2
xp
F(de
v!j%<H`NI
PM3fJhx
九. 简化 |e91KmiqJ
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。 Ge ?Q)N
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 v<vaPvW
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: !,O Y{='
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 2Ft#S8
+-*/&|^等 zsr; 37
2. 返回引用。 ttY[\D&ZS
=,各种复合赋值等 &HtG&RvQf
3. 返回固定类型。 *YP:-
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 8 Y))/]R
4. 原样返回。 iZE7
B7K
operator, gTk*v0WBm
5. 返回解引用的类型。 v,jB(B^|Z
operator*(单目) Ao, <G.>R
6. 返回地址。 'DD~xCXE
operator&(单目) eQJyO9$G
7. 下表访问返回类型。 \u*[mrX_B:
operator[] T'-kG"l b
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 T U^s!Tj
operator<<和operator>> P\%aJ'f~
^!Tq(t5V
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 5l]qhi3f
例如针对第一条,我们实现一个policy类: [tkP2%1
BFQ`Ab+
template < typename Left > =%d.wH?dZ/
struct value_return 9>/:c\q+
{ 'H(khS
template < typename T > ({mlA`d]
struct result_1 NY/-9W5T4
{ NBD1k;
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; p7Z/%~0v:
} ; 5zPn-1uW
{Z}zT1kA
template < typename T1, typename T2 > <
49\B
struct result_2 M%2w[<-8c
{ co*XW
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; j/uzsu+
} ; kudXwj
} ; hR,5U=+M7
^qNZ!V4T
,|?rt`8)Q
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait _VJG@>F9-
Hv</Xam
下面我们来剥离functor中的operator() n 9Ktn}
首先operator里面的代码全是下面的形式: MPMAFs
%:8XZf
return l(t) op r(t) 3K%_wCZ
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 7)*QX,4C
return op l(t) KMXd
return op l(t1, t2) <tv"I-2
return l(t) op S"%W^)mZ
return l(t1, t2) op 3-gy)5.xe
return l(t)[r(t)] SHQgI<D7
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] yc0_7Im?
-H$C3V3]
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: 3aFD*S
单目: return f(l(t), r(t)); gp4@6HuUd
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); 5UvqE_
双目: return f(l(t)); Y{<SD-ibZ$
return f(l(t1, t2)); 6*s:I&