一. 什么是Lambda yQ/E0>Uj!
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 dBG5IOD
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, qQ/<\6Sl
.zQ'}H1.C
'k1vV
|{j\7G*5
class filler *$Tz g!/
{ Es^=&2''
public : TEEt]R-y
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} {*NM~yQ
} ; upc-Qvk
#FwTV@
dSkx*#FEE
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 0%b!ARix
J^xIfV~zt
./r#\X)dc
()`cW>[
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); >713H!uj
Ts c2;I
E8Y(C_:s
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 G{!adBna
Pgh)+>ON
8oxYgj&~X
0\DlzIO
二. 战前分析 s^lm
81;
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 L8.u7(-#
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 mgL{t"$c
FrL
;1zt
ll#_v^
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); yE=tuHv(0
/* --------------------------------------------- */ 0J5IO|1M
vector < int *> vp( 10 ); u7G9 eN
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); f)9{D[InM^
/* --------------------------------------------- */ d:GAa
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); m1{OaHxKh
/* --------------------------------------------- */ >DkRl
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); U!D\Vd
/* --------------------------------------------- */ b8~7C4
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); *If]f0?%
/* --------------------------------------------- */ ,Z aPY
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); bQBYzvd
nZP%Z=p7
wU(N<9
_]q%H ve
看了之后,我们可以思考一些问题: &br_opNi
1._1, _2是什么? r6:c<p [c
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。 n\'@]qG)Z4
2._1 = 1是在做什么? c3X8Wi7m
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。 csCi0'u
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。 .~jn
N
p5?8E$VHV
=qy{8MsjA
三. 动工 s3+6Z~g'B
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: #1VejeTi
FTT=h0t
_ H$^m#h
(rB?@:zN
template < typename T > Zzea
class assignment T*v@hbJ
{ ^/_1y[j
T value; /aX#j`PrH
public : |\] _u 3
assignment( const T & v) : value(v) {} vm4q1!!(
template < typename T2 > /Zm5fw9
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } `@#,5S$ E
} ; q+ )csgN
UukHz}(E
!PuW6
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 \r^*4P,,
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment "u.4@^+i
n&;-rj^qq
[X=J]e^D
zbyJ5~
class holder VSQxlAGk@
{ O({vHqN>
public : gW_^GrK pI
template < typename T > XJ9l,:c,
assignment < T > operator = ( const T & t) const I15g G.)
{ L; f
return assignment < T > (t); ]id5jVY
} zyF[I6Gs
} ; w7Y>B`wm?
97~*Z|#<+
.>bvI1
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: qwmZOR#
o])2_e5
static holder _1; F2k)hG*|{
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 xfqW~&
-4!i(^w[m/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Fm,}sP"Qx
而不用手动写一个函数对象。 L?~-<k
"i3Q)$"S
W$_@9W(Bl
2Y'=~*tV
四. 问题分析 ecl$z6'c
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ~IP3~m D
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ]'a9>o
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 <+2M,fq+
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 "Ca?liy
下面我们可以对这几个问题进行分析。 2 -
?
5qW*/
五. 问题1:一致性 v\ gCgx=%j
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 2~BId&]
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 \%ZF<sVW
%}%vey
struct holder i'}Z>g5D
{ V6{P4 1_
// *=O~TY<](
template < typename T > lY_&P.B
T & operator ()( const T & r) const ]\Tcy [5
{ _'lrI23I
return (T & )r; Tfba3+V
} _a3,Zuv
} ; ;2=H7dq
zXH CP.Rmg
这样的话assignment也必须相应改动: d;kdw
E?/Bf@a28=
template < typename Left, typename Right > E'J| p7
class assignment I8 \Ka=w
{ jLEwFPz
Left l; Zg@NMT
Right r; M6+_Mi.
public : TLk=HGw
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ZxRD+`
template < typename T2 > -r!N;
s$t
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } qq+fUfB2:
} ; !a[1rQH
~Z'3(n*9
同时,holder的operator=也需要改动: liUrw7,
?r,lgaw
template < typename T > u}7#3JfLn
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ttwfWfX
{ IaU
return assignment < holder, T > ( * this , t); n0T'"i[
} W]UGo,
HZ1e~IIw
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。 @qfVt
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 v_gQCS
7O)U(<70
return l(rhs) = r; [8VB"{{&
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。 d2x|PpmH
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: tCk;tu!d
P>dMET
template < typename Tp > /8GgEW9Q~G
class constant_t /l,V0+p
{ 'wd-!aZAd
const Tp t; 8-?.Q"D7%
public : "(hhb>V1Wl
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} R^.oM1qu|
template < typename T > =-`}(b2N
const Tp & operator ()( const T & r) const d (Fb_
{ McgTTM;E
return t; t&SC>8M<
} 4*4s{twG
} ; ;R E|9GR
T<|B1jA
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 >5&'_
下面就可以修改holder的operator=了 cp0@wC#d
?=B$-)/
template < typename T > 9=j"kXFf
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const ?q(7avS9
{ -bo5/`x
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); b8QA>]6A
} Tw< N
FY [WdZDZ
同时也要修改assignment的operator() G}d-L!YbE'
r=<Oy1m/
template < typename T2 > JpEE'#r|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } C:/O]slH
现在代码看起来就很一致了。 [2UjY^\;T
CBAMAr
六. 问题2:链式操作 Sni Ck*T,
现在让我们来看看如何处理链式操作。 u%<Je
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 \ %Er%yv)
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 ;Ft_ Xiq
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Gpws_jw
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct c
rPEr
VLuhURI)
template < typename T > IWvLt
struct result_1 _ji"##K
{ Y]aVa2!Wb
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; cF9bSY_Eh
} ; 7q<2k_3<
3~~Kt H=
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: R _WP r[P
xJtblZ1sr
template < typename T > /s"mqBXCG
struct ref v/{LC4BF
{ v1Tla]d
typedef T & reference; eAh~`
} ; }{Ab:+aNd
template < typename T > <H{%`
struct ref < T &> fmf3Hp@
{ ;*^2,_
typedef T & reference; +G';no\h
} ;
`iYiAc
0b%"=J2/p.
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: {3F;:%$`c
#~l(t_m{
template < typename T > ~Ts^z(v~D2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const vt@5Hb)
{ wQ
/IT}-
return l(t) = r(t); 'thWo wE
} P(Bj XMd
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。 k%|7H,7
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 u`I&&
(- `h8M
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 36mp+}R#
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: ol QT r
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 u;f${Wn'3
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ?.tnaE
最后的布局是: ru#,pJ=O(
Add LT7C>b
/ \ -FRMal4Pg0
Divide 5 |[apLQ6
/ \ h"Qp e'D}
_1 3 eT33&:n4
似乎一切都解决了?不。 )Qe<XJH!
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 77D>;90>?
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 jFbj)!;
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: h3-y}.VjG
Bx9R!u5D
template < typename Right > \1Tu
P}P
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const VfWU-lJ
Right & rt) const B:Y"X:Y
{ 8S*3W3HY
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); cu{c:z~
} nn[OC=cDN
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ?=zF]J:G1w
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 A[W3.$s
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。 h9<*+T
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。 6Ih8~Hu
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。 L'(ei7Z
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? 7i-G5%w7
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: \ZN> 7?Vs
^pgVU&-~]/
template < class Action > n~ w.\939@
class picker : public Action }7?n\I+n"
{ Rq`B'G9|c
public : G8bc\]
picker( const Action & act) : Action(act) {} yN-o?[o
// all the operator overloaded XT2:XWI8
} ; h 8Shf"
g$X4ZRSel
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 b&wyp@k
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: KZeaM
^w|D^F=o
template < typename Right > }4$k-,1S
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 'Cr2&
dy
{ ;og[q
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); olA 1,8
} m2sf]-?Y
{Xr|L
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > "XKcbdr8-
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。 || p>O
=74yhPAW
template < typename T > struct picker_maker z5njblUz
{ ^9_4#Ep(
typedef picker < constant_t < T > > result; IA6,P>}N
} ; +"yt/9AO
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > $3yzB9\a"
{ %imI.6
typedef picker < T > result; F7!q18ew
} ; tBB\^xq:
`8x.Mv
下面总的结构就有了: D MzDV _
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 2)-V\:;js
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 V1l9T_;f
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 "pA24Ze
至此链式操作完美实现。 1uwzo9Yg
r
&.gOC
mMt~4(5
七. 问题3
dj}y6V&
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 s[dq-pc"
T[(4z@d`5
template < typename T1, typename T2 > :qAF}|6
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const BN]{o(EB
{ 9coN >y
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); }57d3s
} +$CO
W{!Slf
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: gH
u!~l
Au"7w=G`f
template < typename T1, typename T2 > C@F3iwTtp
struct result_2 EJByYk
{ h\<;N*Xi
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; IKs2.sj"o
} ; -dO9y=?t
yt5'2!jc
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? `VL<pqPP
这个差事就留给了holder自己。 vyhxS .[9
9{-
Sa
.ng:Z7
template < int Order > Ld4Jp`Zg
class holder; UmNh0nS
template <> 6
_n~E e
class holder < 1 > IEj=pI
{ XEpwk,8*g
public : <&m
`)FJ
template < typename T > y%Wbm&h
struct result_1 +cf. In,{
{ <8sy*A?0z
typedef T & result; Su>UXuNdE#
} ; O_^X:0}
template < typename T1, typename T2 > "raC?H
struct result_2 z$]HZ#aRE
{ p6*|)}T_%
typedef T1 & result; dk@j!-q^
} ; .!2Ac
template < typename T > \0bZ1"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ) mG
{ B,NHy
C1i
return (T & )r; 4+2hj*I
} no
UXRQ
template < typename T1, typename T2 > K[Ao_v2g
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const WEZ)>[Xj?
{ U66}nN9
return (T1 & )r1; Y)KO*40c
} R1/87eB
} ; B`;DAsmT
Q"D%xY
template <> >=!$(JgX
class holder < 2 > bA*T1Db,t>
{ F qH@iZ
public : zrazFI0G
template < typename T > I/Q5Y- atg
struct result_1 +jrMvk"
{ 38 HnW
typedef T & result; P%^\<#Ya7
} ; M
hJ;)(
template < typename T1, typename T2 > 1z5\>F
struct result_2 bR&<vrMmrA
{ ]>'yt #]
typedef T2 & result; *Jm U",X
} ; =F>nqklc
template < typename T > GTBT0$9g.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const _>)=c<HL
{ eF%IX
return (T & )r; TU,k(
`tn<
} .|Bmg6g*
template < typename T1, typename T2 > mzoNXf:x
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const GK.U_` 4?
{ u9~RD
return (T2 & )r2; Xy'qgK?
} .}||!
} ; 4}t&AW4
v*.#LJEm
DfL>fk
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 AG==A&d>$
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 4t;m^Iv
首先 assignment::operator(int, int)被调用: %G>|u/:U
k3FpD=N
return l(i, j) = r(i, j); x[i Et%_
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) gbc])`aJ>
4 fxD$%9
return ( int & )i; ?=lnYD j
return ( int & )j; ;N/=)m
最后执行i = j; OJH:k~]0!
可见,参数被正确的选择了。 @N0(%o&
%M_5C4&6
-$J%.fdPs
9X2l H~C
gc6T`O-_;
八. 中期总结 9&t!U+
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: $3C$])k
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 /\B[lRn
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 4{1.[##]o
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 0Q_@2
(KDv>@5
LbeMP
)5M9Ro7
/`Wd+
G?OwhX
九. 简化 BkTGH.4G%
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。 @$( /6]4p
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 UkY
`&&ic