一. 什么是Lambda wMU}EoGS?
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 _!E)a
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, /Bp5^(s
^e(*{K;8
5?XIp6%x
!Hx[
`3
class filler KLCd`vr.xf
{ i?B(I4a!G
public : TcOmBKps'
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} @y(<4kLz
} ; CC,CKb
Ms14]M[\
4Bk9d\z
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: C(}N*e1
'yNS(Bg=
Zx 5Ue#I
F-PQ`@ZNW
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); -;j
'=?
69$gPY'3
y8$I=
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Sq[LwJ
cA{7*=G?
J1"16Uu
}N0v_Nas;v
二. 战前分析 J3c8WS{:
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。 tPaNhm[-q7
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 =_Ip0FfK!
B;c2gu
C^*3nd3
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); lB*HLC
/* --------------------------------------------- */ 2JL\1=k;
vector < int *> vp( 10 ); l#fwNM/F
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); tFu"h1
/* --------------------------------------------- */ Qz`v0"'w
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 6D/K=-
/* --------------------------------------------- */ -^$`5Rk
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Cnv?0to2l
/* --------------------------------------------- */ ^]X\boWlI
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ' ?uwUBi
/* --------------------------------------------- */
q.!<GqSgb
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); |H
,-V;
,_z"3B)]
]i
Yp
#H.DnW
看了之后,我们可以思考一些问题: A^vvw~!d
1._1, _2是什么? xP-\)d-.aN
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。 1fqJtP6
2._1 = 1是在做什么? %![3?|8~
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;R I
A
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。 T7?cnK"
0[.T`tpN'
a~&euT2
三. 动工 ,$(a,`s)
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 2 `U+
!
"wnN
0 p
^=[b]*V
0bl 8J5Ar5
template < typename T > D.*o^{w|
class assignment GS+Z(,J>=
{ 74fE%;F
T value; "ifv1KZ#
public : C9^C4
assignment( const T & v) : value(v) {} _*fOn@Vwo
template < typename T2 > >>%E?'9A
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 3gs!ojG
} ; `Jn2(+
y&6 pc
Td5yRN! ?
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 2x!cblo
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment PnZY%+[I
#AF.1;(k
_&e$?hY
7'.]fs:
class holder ^NXxMC(e+
{ ]h%~'8g,
public : +;bP.[Z
template < typename T > B3&C=*y
assignment < T > operator = ( const T & t) const {ep.So6
{ )4^Sz &\
return assignment < T > (t); S`pB EM
} `y$@zT?j
} ; szGGw
eXi}-~o
d~#:t~
$,
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: >E9 k5
YK>?;U+|
static holder _1; @:t2mz:^i
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 L~E|c/
X+QoO=02LR
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); %+@<T<>J<k
而不用手动写一个函数对象。 cs?IzIQ
ET;-'vd
''H;/&nDX
',]^Qu`a
四. 问题分析 p4vX3?&1W
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 <Yn-sH
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 GDYFhH7H
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 5xhYOwQBo
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 R5=M{
下面我们可以对这几个问题进行分析。 6"yIk4u:
Y2$xlqQd"
五. 问题1:一致性 $S/EIN c
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| /YHnt-}v,
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 q9(Z9$a(\
BHt9$$Z|
struct holder @#"6_{!j_X
{ BMb0Pu8
// g}$B4_sY
template < typename T > xwojjiV
T & operator ()( const T & r) const oZ>2Tt%
{ xu.TS
return (T & )r; O% 8>siU
} @3`Pq2<
} ; %xdyGAl:
WHcw5_3#
这样的话assignment也必须相应改动: g`dAj4B
W1ql[DqE{
template < typename Left, typename Right > 10CRgrZ
class assignment H18pVh
{ t**MthnW
Left l; w%$J<Z^-?
Right r; %ZX3:2
public : Ge1"+:tbJ
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 6|QIzs<Z-X
template < typename T2 > AbIYdFX B
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } MB+a?u0\
} ; %7
$X
*
j%i6H1#.Z
同时,holder的operator=也需要改动: NUh+ &M
?hKpJA'%
template < typename T > 03gYl0B
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const *BKIA
{ |%uy{
return assignment < holder, T > ( * this , t); |eK^Yhym
} wQYW5X
l:*.0Tj
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 -'T^gEd)c
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 C?g<P0h
>dnDN3x
return l(rhs) = r; uOPLJ?%
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 /L=Y8tDt
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: as"@E>a
@b{$s
template < typename Tp > \S>GtlQbn
class constant_t d$y?py
{ 4P?@NJp
const Tp t; bJ]blnH
public : B1TWOl?d{
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} B? 9"Ztb
template < typename T > M=4`^.Ocm
const Tp & operator ()( const T & r) const T!-ly7-`
{ 3*N0oc^m
return t; 3x>Y
} f1
`E-
} ; Z<#h$XUA
Lc0=5]D
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ;Qidf}:
下面就可以修改holder的operator=了 =lL)g"xX
Tr,
zV
template < typename T > 3[<D"0#},
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 's$/-AV
{ F!P,%JmI<
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); *hh iIiog+
} xXCsJ9]
ne%(`XY{Q]
同时也要修改assignment的operator() 0F 6~S
Gm=e;X;r
template < typename T2 > \lK `
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } G,6 i!M
现在代码看起来就很一致了。 )B"E+Q'h{7
tc{Qd&"(
六. 问题2:链式操作 av~kF
现在让我们来看看如何处理链式操作。 cXK.^@du
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。 p
MR4]G
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。 " : V@AT
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。 WTu!/J<\
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct dte-2?%~j
f |NXibmP
template < typename T > ,,G'Zur7
struct result_1 s3=slWY=
{ r ?z}TtDp
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; _z>%h>L|g
} ; )gV @6w
?L6wky{
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: 7h`t-6<!q
Xt!wOW
template < typename T > `o21f{1]X&
struct ref )1f.=QZN^;
{ T-Yb|@4
typedef T & reference; bd[iD?epD]
} ; [Xww`OUsh
template < typename T > 3e1%G#fu
struct ref < T &> [ ^gb6W9Y
{ &;U
F,
typedef T & reference; p,14'HS%@
} ; I7W?}bR*6
v.c.5@%%o
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: *S'?u_Y7
a0's6C
template < typename T > 4)Ew
rU
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const qoEZ>
{ "8E=*2fcw
return l(t) = r(t); =.qPjp_Qd
} G$2Pny<!
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。 9/{ 8Y&
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 ,_@) IN
Uurpho_~
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 h{^MdYJ
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: {Rn*)D9
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 @_?Uowc8
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 zKThM#.Wa
最后的布局是: jWso'K
Add y0'WB`hNQ
/ \ dRUmC H
Divide 5 HahA} Q
/ \ !w/]V{9`X
_1 3 P>R u
似乎一切都解决了?不。 ;8w
CQ
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。 |}@teN^J*U
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。 bVr`a*EM
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: lU.aDmy<
|(uo@-U
template < typename Right > V-18~+F~"a
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const K6 ,d{n
Right & rt) const !8tqYY?>@\
{ IiV]lxiE]
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); QT4vjz+|
} 6t gq.XL^n
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 &:~9'-O
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。 /*Gbl
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。 z6fY_LL
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。 yF-`f
_
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。 #
S0N`V
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? pL: r\Y:R
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:
<3x:nH @
0>
QqsQ
template < class Action > 9{%/I
class picker : public Action [-^xw1:
{ ;X+cS,h
public : O7p=|F"
picker( const Action & act) : Action(act) {} ,M
:j5
// all the operator overloaded p{&o{+c
} ; ]+>Kl>@
0CI\Yd=
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。 xu@xP5GB^
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: WA5.qw
#-l+cu{
template < typename Right > rj/nn)vv;
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const #;h>
x
{ ]2_=(N\Kt
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Q)5V3Q]@^
} TXqtE("BDl
!E^\)=E)P
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > XE#$|Z
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 ycf)*0k
2B+qS'OT
template < typename T > struct picker_maker hLT?aQLx
{ H%{k.#O
typedef picker < constant_t < T > > result; :bkmm,%O
} ; 7_J0[C!G
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > }/jWa|)f
{ mNJCV8 <
typedef picker < T > result; N w/it*f
} ; .]N`]3$=
"O_)~u
下面总的结构就有了: 0iKAg
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。 3~Ll<8fv
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?6TDZ]
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 l!:L<B
至此链式操作完美实现。 |g"K7XfM4
ED>P>Gg
ADA}_|O
七. 问题3 W9S6
SO^\
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。 .u]d5z
BR
8_M"lU0[
template < typename T1, typename T2 > Q~` {^fo1
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const P!lfk:M^;
{ KLjvPT\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2);
|{MXDx
} V/RV,K1/
NMzq10M=6
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: PoLk{{l3
:.(A,
template < typename T1, typename T2 > Z7k ku:9
struct result_2 r-a0XNS*
{ %8>0;ktU
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; t(}g;O-
} ; s0DT1s&
'f8'|o)
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? ;_0frX
这个差事就留给了holder自己。 c7nbHJi
LtV,djk
At&kW3(
template < int Order > ,lVQ-qw5
class holder; ,x?Jrcx~'C
template <> < Yc)F.:
class holder < 1 > -8v:eyc
{ VFKFO9
public : D58RHgY[
template < typename T > J|([(
struct result_1 H%0WD_
{ yi2F#o 'K
typedef T & result; N|/gwcKe
} ; E@-5L9eJ\
template < typename T1, typename T2 > *77Y$X##k
struct result_2 q9c-UQB(!
{ Lz!H@)-mr
typedef T1 & result; h+Y>\Cxg
} ; EXR6Vb,
template < typename T > u(8dsgR
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Hk$do`H-=Y
{ UK)wV
return (T & )r; Uy?X-"UR
} ^?|d< J:{
template < typename T1, typename T2 > f/"IC;<~t>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const FytGg[#]
{ 2 ]n4)vv,
return (T1 & )r1; WA.c.{w\
} t
;fJ`.
} ; %AA-G
5Ha(i [d
template <> V7D<'!
class holder < 2 > *;Za))
{ uUe#+[bD
public : %CqG/ol
template < typename T > _|#P~Ft
struct result_1 m= %KaRI
{ +o35${
typedef T & result; !Z0S@]C
} ; bD?gwhAKA
template < typename T1, typename T2 > 8t|?b
struct result_2 ! vuun |
{ 6XnUs1O
typedef T2 & result; o\fPZ`p-m~
} ; #}Bv/`t
template < typename T > ;@O8y\@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Ml/K~H
tN
{ r4 qs!(
return (T & )r; QHd|cg
} =F_j})O5
template < typename T1, typename T2 > Ox@$ }
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const !E,|EdIr
{ 7/K'nA
return (T2 & )r2; w}8=sw
} l9n$cv^
} ; F2Gg_u@7M
N|8^S
XANJ A
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 3ouo4tf$H.
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: )JU`Z@?8
首先 assignment::operator(int, int)被调用: h!tg+9%
"![KQ
return l(i, j) = r(i, j); ZgmK~iJ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ygd*zy9
%&J`mq
return ( int & )i; ry+|gCZ
return ( int & )j; _>^Y0C[?5
最后执行i = j; BM5)SgK
可见,参数被正确的选择了。 ~+PK Ws'}F
lB7/oa1]>
pp2 Jy{\d
rddn"~lm1
v!=e]w6{
八. 中期总结 Z1p%6f`
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: 5!jt^i]O
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 D0Ls~qr
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Ga`
8oY+~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor bPMf='F{r
SQN{/")T
D'Uc?2X,&
SCjVzvG$yg
2o7o~r
BF"eVKA
九. 简化 M>i *e
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 u3DFgl3-7
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 g@]1H41
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: d
<zD@ z
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 BWr!K5w>i
+-*/&|^等 B)dd6R>8
2. 返回引用。 S+?*l4QK
=,各种复合赋值等 |BO5<`&I
3. 返回固定类型。 >b~Q%{1
各种逻辑/比较操作符(返回bool) !Nbi&^k B
4. 原样返回。 `.wgRUhFH;
operator, w1
A-_
5. 返回解引用的类型。 `:2np{
operator*(单目) kjr q;j:
6. 返回地址。 0|{":i_s
operator&(单目) 1uzK(j8w
7. 下表访问返回类型。 )-1$y+s>
operator[] T,B%iZ gCh
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 QRF:6bAxsL
operator<<和operator>> #nKGU"$+
5U*${
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。 G$~hAZ
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Y"dTm;&
k1LbWR1%wB
template < typename Left > hJX;/~L
struct value_return % QaWg2Y=
{ 9gZS)MZ
template < typename T > !_?HSDAj"n
struct result_1 X*e:MRw[
{
)
urUaE
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; :]* =f].
} ; OQDx82E
fL gHQ
template < typename T1, typename T2 > YT@N$kOg_
struct result_2 ]ij:>O@{$
{ uuy0fQQ8ti
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; - @KT#
} ; j92+kq>Xd
} ; 3 >^B%qg6
7K!n'dAi6
HBw0N?
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait }~#qDrK
s3~6[T?8
下面我们来剥离functor中的operator() V_9\Ax'X
首先operator里面的代码全是下面的形式: @VsK7Eo
RC!T1o~L
return l(t) op r(t) 6X$\:>
return l(t1, t2) op r(t1, t2) XLm@, A[
return op l(t) " j:15m5
return op l(t1, t2) _$v$v$74^
return l(t) op [U7r>&