一. 什么是Lambda jh9^5"vQ
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 +.{_n(kU
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, 'H:lR1(,
H=EvT'g
pkhZW8O
\S3C"P%w
class filler jRzR`>5
{ .BZw7
YV
public : (1*?2u*j
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} v@[MX- ,8
} ; Z{&PKS
%
`\8z
J7$5<
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: Ry tQNwv3
qd"*Td
P5kkaLzG
db4Ol=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); LKtr>u
pz~AsF
)N<>L/R
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 g;Bq#/w
#NwlKZ-
9w (QM-u
Rax}r
二. 战前分析 3%>"|Ye}A
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ^<7)w2ns
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 { 6*h';~
's+ Fd~'
TAIcp*)ZM
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); IYb@@Jzo
/* --------------------------------------------- */ xqX~nV#TB
vector < int *> vp( 10 ); }>fL{};Z"
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 4,
8gf2
/* --------------------------------------------- */ mbU[fHyV
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); &$|k<{j[<f
/* --------------------------------------------- */ Cj,fP[p#7
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ZI-)'
/* --------------------------------------------- */ JuKj
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 9-I;'
/* --------------------------------------------- */ BB>3Kj:|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); e=QnGT*b5
/\(0@To
mq do@
tNoo3&
看了之后,我们可以思考一些问题: /EA4-#uw
1._1, _2是什么? =&< s*-l[
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。
&CG3_s<2
2._1 = 1是在做什么? \@3i=!
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。 +kmPQdO;*/
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。 x/R|i%u-s
l0 rZril
{eMu"<
三. 动工 >n{(2bcFs
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 9co1+y=i{
k5P&F
Kw+?Lowp
W1i Kn
template < typename T > IX,/ZOZ|
class assignment %HpTQ
{ fOF02WP^
T value; 1Hp0,R}
public : <{JHFU`^
assignment( const T & v) : value(v) {} A !x"*
template < typename T2 > ym{?vY
h
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } .YKQ6
} ; m&EwX ^1-
s-J>(|
-H#{[M8xX
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 D/"[/!
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Zm4IN3FGLv
Ul)2A
8yF15['
1BmevEa)
class holder i\XOk!
{ t=d~\_Oa
public : >| rID
template < typename T > _A;jtS)SY
assignment < T > operator = ( const T & t) const D
N GNc
{ @q} .BcSg
return assignment < T > (t); j_H{_Ug
} s
'u6Ep/V
} ; ^8a,gA8.
ck){N?y
(&=-o(
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: SL?
!
RQ
D: NBb!
static holder _1; MLG%+@\
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 "[q/2vC
FAz shR
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); k9vr6We'
而不用手动写一个函数对象。 I QS|
c 5+oP j
pej/9{*xg(
b54<1\&
四. 问题分析 ?kI-o0@O.
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。 *!ZU"q}i
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。 pLE|#58I
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Nq/,41
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。
FVPhk 2
下面我们可以对这几个问题进行分析。 >2_BL5<S
MS)# S&
五. 问题1:一致性 J}Bg<[n
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?| ;XMbjWc
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Zrr3='^s
mqrP0/sN
struct holder Q.*qU,4);
{ MRwls@z=
// <x,u!}5J
template < typename T > F42r]k
T & operator ()( const T & r) const @F]6[
{ Cg
|_) _w
return (T & )r; cpF\^[D
} '>^+_|2
} ;
?}e8g
Og4 X3QG
这样的话assignment也必须相应改动: DN2K4%cM%'
>_!pg<{,
template < typename Left, typename Right > >pW8K[
class assignment R] tHd=kf
{ 5)+(McJC
Left l; AyB-+oTf(
Right r; /pan{.< k
public : 8p,q9Ey
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 22"M#:r$
template < typename T2 > f ?_YdVZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ^o+2:G5z}
} ; G"T)+!6t
TRL4r_
同时,holder的operator=也需要改动: `C%,Nj
: ~"^st_[!
template < typename T > 2f9~:.NgF
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 'S@%
{ iA3d[%tBb
return assignment < holder, T > ( * this , t); j0B, \A
} yv=LT~
DmEmv/N=
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。 &W:Wv,3
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 c9/w-u~j
tSV}BM,
return l(rhs) = r; 7h?PVobe
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。 7(rTGd0
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: =uQCm#
gdT3,8`#[
template < typename Tp > Y5&Jgn.l
class constant_t 1_%jDMYH
{ oUIa/}}w5
const Tp t; <mjH#aSy
public : gQ3Co ./
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} )tl=tH/$
template < typename T > */sVuD^b`
const Tp & operator ()( const T & r) const Z#BwJHh
{ %Qgo0
return t; ^N#kW-i
} 'C)^hj.
} ; '}dlVf
C(Ujx=G+3
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 "(PJh\S>S
下面就可以修改holder的operator=了 3Q*K+(`{
[wG?&l$.KB
template < typename T > tQ_;UQlX
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const {:xINQ=}D
{ IzF7W?k
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); UeV2`zIg`
} D-\\L[
mVfg+d(
同时也要修改assignment的operator() ]|18tVXc
Vh$~]>t:f
template < typename T2 > :BKY#uH~
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } +8Yt91
现在代码看起来就很一致了。 :P#
-BfZ P5
六. 问题2:链式操作 3Wxl7"!x m
现在让我们来看看如何处理链式操作。 b)9bYkd
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。 X&nkc/erx
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。 5|f[evQj<S
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。 7r 07N'
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ?6+GE_VZ
`=Pn{JaD
template < typename T > m663%b(5>
struct result_1 u`dWU}m)
{ y K)7%j!
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 3GUO
} ; ftq&<8
GQhzQM1HS
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: :A
$%5;-kO
|C?<!6.QmV
template < typename T > <use+C2
struct ref ke_Dd?
{ 8.HqQ:?&2t
typedef T & reference; L3lf2 8W
} ; {c`kC]9
template < typename T > vT"T*FKh:
struct ref < T &> J@C8;]
{ |V bF&*v`
typedef T & reference; #X'!wr|-
} ; P0uUVU=B|
Sq8 `)$\
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: zRN_`U
}&sF
\b
template < typename T > +Wh0Of
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const vS%o>"P
{ Bi/=cI
return l(t) = r(t); 4]0|fi3}>
} 5jD2%"YUV
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$8B)x
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 +:pjQ1LsJ
~f0Bu:A)
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 NF&R}7L
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: gd^1c}UZX
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 )D_#
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 5VdF^.:u
最后的布局是: :\9E%/aAD
Add sYM3&ikyHI
/ \ DcaVT]"
Divide 5 O`5PX(J1&
/ \ Sx?IpcPSm
_1 3 jR`q y<
似乎一切都解决了?不。 Tm~a&p
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。 L^uO.eI"m
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。 $50A!h
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: e}Cp;c]=
+F$c_
\>
template < typename Right > | YmQO#''
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const <x@brXA
Right & rt) const fBBNP)
{ 7.-Q9xv
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ,0O9!^
} 'AU(WHf
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 e2CjZ" C
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。 :td6Mywl
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。 VSP6osX{
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`qHNM/t
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。 iV;X``S
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? u^T)4~(
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: CIAHsbn.A
Lb;:<
template < class Action > SVWtKc<
class picker : public Action 4%>iIPXi.(
{ d6,SZ*AE
public : 6=A
picker( const Action & act) : Action(act) {} NwbB\Wl
// all the operator overloaded k2DT+}u7G
} ; 19O /Q,9
T {Q]
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。 ,pL%,>R5
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: NF+^
?
hU0S
template < typename Right > ={ P
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const ~x;1&\'k
{ "
UaUaSg#
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); l?GN& u
} E-jL"H*
uz-O%R-
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > +I1>;
{{
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。 YLs%u=e($
N T+%u-
template < typename T > struct picker_maker 5%M 'ewu
{ | LdDL953
typedef picker < constant_t < T > > result; M
^gva?{
} ; /NRdBN
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > Y&M}3H>E
{ @vzv9c[
typedef picker < T > result; 1_$ybftS
} ; 2;X{ZLo
/J{
e_a
下面总的结构就有了: %6Wv-:LY
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。 #nG?}*#
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。
}>~';l
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 o"h*@.
至此链式操作完美实现。 ~1e?9D
e(nT2E
,pfHNK-u
七. 问题3 qy@v,a
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。 .3Ex=aQcX
kB~KC-&O
template < typename T1, typename T2 > G-FeDP
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const o[<lTsw<
{ ,au-g)IFZ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); `Hj{XIOx
} ,EhQTVJ
.CU~wB@h
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: D9.H<.|36
& !0 [T
template < typename T1, typename T2 > n`'v8 `a]
struct result_2 ZWJ%t'kF
{ J*4byu|
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; B?o ?LI
} ; %A 4F?/E
O [Q;[@
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? xOfZ9@VU
这个差事就留给了holder自己。 E<=h6Ha
s
Yp?V\Y"
KBVW<;C$
template < int Order > &
QO9 /!
class holder; ';T=kS<^_
template <> c{7<z9U
class holder < 1 > a-nf5w>&q
{ X MkyX&y
public : s+mNr3
template < typename T > e[5=?p@|
struct result_1 y]9PLch]vZ
{ p~X=<JM
typedef T & result; D)0pm?*5A
} ; ">$.>sn{
template < typename T1, typename T2 > zpPzXQv]/
struct result_2 }Z^r<-N
{ MSef2|"P#
typedef T1 & result; a04I.5!
} ; 4q<LNvJA
template < typename T >
Z.!tp
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const KDt@Xi6||
{ 52RFB!Z[
return (T & )r; oh>X/uj
} l8O12
template < typename T1, typename T2 > hU3z4|~+
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ez2rCpA
{ :Fvd?[
return (T1 & )r1; Yh^~4S?
} f76bEe/B9
} ; 6Vq]AQx
CO+[iJ,4C+
template <> c=
f_
class holder < 2 > sE,Q:@H5
{ *{/L7])gm
public : xt{f+c@P
template < typename T > 9!aQ@ J^
struct result_1 >n`!S`)9{
{ AdCi*="m
typedef T & result; )JYt zc
} ; pONBF3H8
template < typename T1, typename T2 > $d@_R^]X
struct result_2 R^nkcLFb/q
{ #7wOr78
typedef T2 & result; z}L3//
} ; *58`}]
template < typename T > ^CZ)!3qd1
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const G:n,u$2a<
{ +`@)87O
return (T & )r; $U{\T4
} !!WSGZUR
template < typename T1, typename T2 > !3E
%u$-}
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ;k<n}shD
{ 3A~53W$M
return (T2 & )r2; Z(' iZ'55F
} 6"
s}<
} ; *2$I,
~(P
|.]:#)^X?
%J_`-\)"{~
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> >。 6NvdFss'A{
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: #U46Au
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ~ jR:oN
c]qq *k#
return l(i, j) = r(i, j); L(a){<c
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 0K0[mC}ZwM
4h|48</
return ( int & )i; H;&^A5
return ( int & )j; d[b(+sHp a
最后执行i = j; Z#n!=kTTm
可见,参数被正确的选择了。 **zh>Y}6
$@[`/Uh
E7XFt#P.
F?+K~['i
%T.4Aj
八. 中期总结 t-xw=&!w
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: Bf&,ACOf
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 -^y$RJC
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Y#'?3
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 7TTU&7l~
8=]R6[,fD
N8<Wm>GLX~
$oefG}h2
C
*\
=Q
g$qNK`y
九. 简化 $1Lm=2;U
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 YS}uJ&WoF
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 [V\0P,l
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: 1:3I G=
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 f0 ;Fokt(
+-*/&|^等 cU,]^/0Y
2. 返回引用。 Us4ijR d
=,各种复合赋值等 [")3c)OH|
3. 返回固定类型。 MroJ!.9
各种逻辑/比较操作符(返回bool) qOyg&]7
4. 原样返回。 {8NnRnzU
operator, Ms^U`P^V~P
5. 返回解引用的类型。 *vx!twu1o
operator*(单目) -t92! O
6. 返回地址。 >680}\S
operator&(单目) n[jyhBf\W
7. 下表访问返回类型。 ]fN\LY6p
operator[] I}5#!s< {&
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 n'<FH<x
operator<<和operator>> _m;#+`E
gNon*\a,-B
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 ]!yuD/4A
例如针对第一条,我们实现一个policy类: jU1 ([(?"
YT)jBS~&
template < typename Left > B~/:["zTh&
struct value_return }Y/uU"t
{ JXG%Cx!2}
template < typename T > l_K=7\N
struct result_1 [.M<h^xrB
{ &|;XLRHP}
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; +|#lUXC
} ; 6,nws5dh
9,7IsT8
template < typename T1, typename T2 > X.u&4SH
struct result_2 ;T!w$({V0z
{ sdk%~RN0T
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; uJ Q#l\t
} ; _K(w&Kr
} ; 4Wz@^7|V5
ZT*RD2,
Eiqx1ZM
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait inO)Y]|f
cG)i:
下面我们来剥离functor中的operator() #r\,oXTm
首先operator里面的代码全是下面的形式: f+#^Lngo
!j'9>G{T
return l(t) op r(t) c{YBCWA
return l(t1, t2) op r(t1, t2) X,m6#vLK2
return op l(t) :#CQQ*@
return op l(t1, t2)
T06BrX
return l(t) op J2rw4L
return l(t1, t2) op &