一. 什么是Lambda <.
V*]g/;
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Xk :_aJ
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, cU "uKR
wk2Ff*&
BtF7P}:MGf
`nd$6i^#W
class filler 1#XZVp;M
{ ddlF4L_
public : -c[fg+L9
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 2FM}"g<8
} ; WXa<(\S\V
Vzh\1cF
g]?QV2bX6
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: Ki[&DvW:
X|Nb81M
C jz(-018
nKch:g
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 6"2IV
8&y#LeM1TT
W#L/|K!S
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Go7 oj'"
( n!8>>+1C
5QG?*Z~?7
[n$6T
二. 战前分析 ,UxAHCR~9
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 *3(mNpi{_
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 riSgb=7q9
M
~6$kT
/b."d\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 3oPyh $*
/* --------------------------------------------- */ C!|Yz=e
vector < int *> vp( 10 ); fjqd16{Q
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); >UXNR`?
/* --------------------------------------------- */ N LSJ
D
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); kq>I?wg
/* --------------------------------------------- */ L1MG("R
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 3#{Al[jq
/* --------------------------------------------- */ XJA];9^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Z1U@xQj
/* --------------------------------------------- */ I(qFIV+HR
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); CE|rn8MB
Lr*\LP6jx3
[$`%ve
}k@SmO8
看了之后,我们可以思考一些问题: mv#*%St5
1._1, _2是什么? iE^=Vf;
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。 O0sLcuT$
2._1 = 1是在做什么? vSwRj<|CF
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。 (~?p`g+I.P
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。 [`!%u3
n"Wlfd0
,3Aiz|v-
三. 动工 scy_
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: CWSc #E
Bm+Ca:p%
,Y7QmbX^
5jsZJpk$
template < typename T > Fzy5k?R
class assignment q!YAA\'31
{ X?'pcYSL
T value; ]3L/8]:
public : }qBmt>#
assignment( const T & v) : value(v) {} kTm}VTr
1
template < typename T2 > /sdZf|Zl
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } sE[
Yg8yAt
} ; h*\u0yD)
bv}e[yH
E^m;Ab=
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 BR:Mcc
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment eaDG7+iS
C40o_1g
c6VyF=2q
%m-U:H.Vp
class holder 8;x0U`}Ez(
{ @iN"]GFjS
public : -]Q\G
template < typename T > YRU95K[
assignment < T > operator = ( const T & t) const N{uVh;_
{ plM:7#eA
return assignment < T > (t); -[[(Zx
} zxeT{AFPr?
} ; wJh/tb=$o
?HeUU
<,y> W!
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: P[tYu:
TrBW0Bn>p
static holder _1; 4u#TKr.
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 H^M>(kT#&
Cl!9/l?z
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); P+DIo7VTX
而不用手动写一个函数对象。 dj{~!}
bbT$$b-
DTHWL
P=Su)c
四. 问题分析 wYQEm
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。 S1U[{R?,
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。 \r"gqv)^
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 TQ=HFs
~
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ?/8V%PL~$
下面我们可以对这几个问题进行分析。 y2=yh30L0E
G"h}6Za;DO
五. 问题1:一致性 WWATG=
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?| ;3o7>yEv
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 `UTUrM
[Kaa{+,(
struct holder %^[D+1ULb
{ iU AY
// my#\(E+
template < typename T > "<LWz&e^^
T & operator ()( const T & r) const .h(iyCxP
{ 8 #:k
return (T & )r; "uFwsjz&B
} uaZHM@D
} ; 5]n\E?V'L
U>DCra;
这样的话assignment也必须相应改动: uF<?y0t
~0@fK<C)O
template < typename Left, typename Right > !;0K=~(Y^
class assignment l2I%$|)d
{ 1xInU_SPf
Left l; #/{3qPN?@
Right r; BvUiH<-D
public : =}.gU WV
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} P>(FCX
template < typename T2 > ;; ;=)'o
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ?:G 3U\M
} ; buT6)~lw
c3r`T{Kf
同时,holder的operator=也需要改动: AREjS$
s;$f6X
template < typename T > <_#2+7Qs
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const f+8 QAvh
{ bkS"]q)>
return assignment < holder, T > ( * this , t); \`E^>6!]q
} ?'_6M4UKa
gtePo[ZH.P
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 |gIE$rt-~W
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 fH$#vRcq
O8SE)R~
return l(rhs) = r; B{*{9!(l9
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 Gr#3GvL
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: (|NC xey
<'N:K@Cs
template < typename Tp > </u=<^ire
class constant_t 5{Q9n{dOh
{ p4
=/rkq
const Tp t; ,Vw>3|C
public : e.~11bx
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ncMzHw
template < typename T > &}
{ #g
const Tp & operator ()( const T & r) const @\o"zU
{ I2Imb9k~B
return t; Eku9u
} RB|i<`Z
} ; 8g
Z)c\
hidQO h
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 zo8D"
下面就可以修改holder的operator=了 &{UqGD#1&
r$8'1s37`
template < typename T > P=_fYA3
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const j[.nk
{ ^\&FowpP
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); `G_~zt/
} :mW<
E
bzxf*b1I
同时也要修改assignment的operator() 1m#.f=u{R
P%gA`j
template < typename T2 > CS~_>bn
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ~$J(it-a
现在代码看起来就很一致了。 a[ayr$Hk?
Ikw@B)0}
六. 问题2:链式操作 t%%()!|)j
现在让我们来看看如何处理链式操作。 S_/S2(V"
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 Cs7ol-\)
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。 X-(4/T+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。 JO+tY[q
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ,G g;:)k\
9)NKI02M|
template < typename T > EK Vcz'w
struct result_1 W\NC3]
{ N2"B\
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; bd~m'cob>
} ; w"wW0uE^
b^Re947{g
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: M/dgW`c
@uldD"MJ<]
template < typename T > 6-fv<Pn
struct ref R$8{f:Pj
{ yDwh]t
typedef T & reference; WFh.oe8
} ; (D) KU9B>
template < typename T > oJ\g0|\qwe
struct ref < T &> %l!?d`?
{ 6{Q-]LOc[.
typedef T & reference; [&PF ;)i
} ; kM{8zpn
bXOKC
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: )38%E;T{X
.Zv~a&GE
template < typename T > nqm=snh
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Z$JJ0X
{ UZ2_FP
return l(t) = r(t); YLGE{bS
} BEvY&3%l
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。 ,1#? 0q
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 LwK]fFtu
o_BTo5]
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 [Hx(a.,d
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 2&>t,;v@
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 4,z|hY_*t
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 VMRfDaO9
最后的布局是: !>n!Q*\(Ov
Add b4i=%]v8
/ \ hdHz", )
Divide 5 1o%#kf
/ \ TZ5TkE;1
_1 3 $R/@8qnP
W
似乎一切都解决了?不。 }7[]d7
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。 $Dj8 a\L
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。 YM:sLeQ~c
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: 5@m
,*n&[
]690ey$E:j
template < typename Right > SL- 2 ^\R
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const HS/.H,X
Right & rt) const J<QZ)<T,&
{ TA-2{=8
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :LY.C<8
} Ee2P]4_d
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 "u!gfG?oH
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。 2c 0;P
#ol
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。 5MaN
{*)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。 V;xPZ2C;
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。 J
W@6m
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? Wvf>5g)?
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: KtL?,zi
E6TeZ%g
template < class Action > Ne1Oz}
class picker : public Action 0BlEt1e2T
{ /)sP, 2/
public : .EL3}6"A
picker( const Action & act) : Action(act) {} ,s #~00C|
// all the operator overloaded E5n7
<
} ; $qQYxx@
>X$JeME3
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。 'NhQBk
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: E(4c&
|6JKB'
template < typename Right > p|t" 4HQ
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const `xLsD}32
{ @/.#
/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ["EXSptB
} TjTG+uQ
sip4,>,E
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Q^Cm3|ZO
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。 BqNeY<zB*
f47]gtB-
template < typename T > struct picker_maker EVX3uC}{
{ k56Qas+3=
typedef picker < constant_t < T > > result; ?n`m
} ; KUUA>'=
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > K>$f#^
{ &<BBPn@\
typedef picker < T > result; 4@
} ; (w hl1
-<s Gu9
下面总的结构就有了: ^el+ej/=
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。 @./h$]6
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。 H~+A6g]T
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 >o?v[:u*
至此链式操作完美实现。 4f[%Bb
u;_h%z5K
S\).0goOW
七. 问题3 fZo#:"{/K
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。 T?pS2I~
)y,^M3$?C
template < typename T1, typename T2 > 5)!g.8-!
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const q,,
{ yDafNH
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); A9MM^jV8
} <giBL L!
10FiA;
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: ^9[Q;=R
13X}pnW
template < typename T1, typename T2 > 7y'uZAF
struct result_2 Y~I<L ocv
{ D!rPF)K
)
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 7&ED>Bk
} ; bqcCA91
.T'@P7Hdx
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? 53])@Mmus
这个差事就留给了holder自己。 ' P?h?w^T
faQmkO
!RI _Uph
template < int Order > rm[C{Pn
class holder; >$4#G)s
template <> I%3[aBz4
class holder < 1 > U N9hZ>9
{ XIdh9)]^}
public : 32YbBGDN!f
template < typename T > ;o9h|LRs
struct result_1 dht0PZdx?
{ h@Q^&%w
typedef T & result; 8<6H2~5<
} ; S[Du
>
template < typename T1, typename T2 > }D#:NlMp
struct result_2 DzAZv/h76
{ UHZuH?|@
typedef T1 & result; {~U3|_"[pX
} ; yH/A9L,Z
template < typename T > v-{g
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const UT<e/
{ 5RP kAC
return (T & )r; .{V"Gn9!
} $'J3
/C7
template < typename T1, typename T2 > 6zi>Q?] 1
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const <CyU9`ye
{ ]q]xU,
return (T1 & )r1; n=.P46|
} G !q[NRu
} ; G*CPj^O
W7S~~
template <> m{/7)2.
class holder < 2 > C-&ymJC|
{ f<YYo
public : Q\$3l'W
template < typename T > %2\Hj0JQQ
struct result_1 <3;p>4gN
{ n Nt28n@
typedef T & result;
~non_pJ
} ; bKQho31a'
template < typename T1, typename T2 > M-o'`e'
struct result_2 WMB%?30
{ 2*:q$ c
typedef T2 & result; yb`PMj j15
} ; FZHA19Kb
template < typename T > !jj`Ht)
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const P%3pM*.
{ :X0L6y)u
return (T & )r; p`"k=tZ{
} aB,-E>+
template < typename T1, typename T2 > 5'zXCHt
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const '2(m%X\6
{ HlGSt$woX
return (T2 & )r2; +,76|oMsQ%
} or]v]*:~l
} ; 7UfNz60+~
ZVjB$-do
WXQ@kQD
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> >。 X6Ha C+P
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: QN:v4,$d
首先 assignment::operator(int, int)被调用: vF72#BNs
kK? SG3
return l(i, j) = r(i, j); PYkhY;*
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) M+/G>U
bZnOX*y]
return ( int & )i; 5hrI#fpOR
return ( int & )j; H"A%mrb
最后执行i = j; >e;-$$e
可见,参数被正确的选择了。 ]fyfL|(;
V1aP_G-:
hOj{y2sc
@62T:Vl
z(|^fi(
八. 中期总结 5ya9VZ5#
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: fkV@3sj
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 gaF6j!p
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 o<G 9t6~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor }9fa]D-a?
jI-a+LnEm
?.~1%l !
&\h7E
\-\>JPO~<
Ew8@{X
y
九. 简化 .~]|gg~
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。 ]eL# bJ
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 fUT[tkb/!
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: ?UXFz'
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ":!$Jnj,
+-*/&|^等 :#rP$LSYC
2. 返回引用。 /$~1e7W
=,各种复合赋值等 xTHD_?d
3. 返回固定类型。 /3b*dsYsl
各种逻辑/比较操作符(返回bool) :/5m
D
4. 原样返回。 }`tSRB7
operator, ;+Jx,{)
5. 返回解引用的类型。 0Hnj<| HL
operator*(单目) 8D*7{Q
6. 返回地址。 1.3#PdMR,
operator&(单目) [M|^e;tWK
7. 下表访问返回类型。 =*\s`ox`
operator[] ;blL\|ch;
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ?@64gdlwq
operator<<和operator>> =2R4Z8G
":]Xr!e
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 g3^s_*A
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 8g#$Y2P
"Y&I#&$b\
template < typename Left > [&lK.?V)
struct value_return il0K ^i
{ sy&[Q{,4
template < typename T > J%&LQ