一. 什么是Lambda tc<uS%XT4^
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ~MBPN4r
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, b>Y{,`E3
Yj#tF}nPC
NcP/W>lN
jj1\oyQ8
class filler "4;nnq
{ 8!rdqI
public : -(t7>s
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} /("7*W 2
} ; BHf$ %?3z,
d&[RfZ`
MUAs(M;
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: u '7h(1@
IHYLM;@L
Ps74SoD-
](A2,F
9(U
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Y}1c>5{bE
>WIc"y.
m3gv %h
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 'gvR?[!t
X!p`|i
ocFk#FW
z
-!w/Bv@
二. 战前分析 Aeb(b+=
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。 ~/]]H;;^u
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 #3QPcoxa
b7Jxv7$e
iN[x
*A|h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?%h$deJ
/* --------------------------------------------- */ 68Gywk3]=u
vector < int *> vp( 10 ); Q-n8~Ey1a
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ;~EQS.Qp
/* --------------------------------------------- */ *y!O\-\S#>
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); })H d]a
/* --------------------------------------------- */ /\c'kMAW!
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); O=A2QykV(
/* --------------------------------------------- */ $2Whb!7Z(
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 4P&2Z0
/* --------------------------------------------- */ \3$!) z
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); u3C_Xz
RqtBz3v
eHy UY&N/
U}RBgPX!
看了之后,我们可以思考一些问题: UowvkVa
1._1, _2是什么? y
%Q. (
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。 <Gi%+I@szl
2._1 = 1是在做什么? +cfEyiub
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。 z*EV>Y[
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。 MLu!8dgI
d_,5;M^k
];OvV ,*
三. 动工 k*\Bl4g
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: FfdB%
6
Rl[M+Q
<w{?b'/q
Y%.o
TB&
template < typename T > nt#9j',6Rn
class assignment dRX~eIw
{ 94rSB}b.O
T value; j#1G?MF
public : 9{*{Ba
assignment( const T & v) : value(v) {} P.'.KZJ:WD
template < typename T2 > @up,5`
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } %.Ma_4o
Z
} ; -B
*W^-;*
C9!t&<\}
bDkZU
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 iT>u&0B-
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment R}ki%i5|
x
b"z%.j
:A8}x=K
H~a
~'tm
class holder @-
STo/
{ qq/>E*~
public : C\EIaLN<
template < typename T > 7$'AH:K
assignment < T > operator = ( const T & t) const jk9f{Iu
{ 6ZqU:^3
return assignment < T > (t); bj
pruJ`=
} RdYmh>c
} ; EtKq.<SJ
j_~KD}
Xp:A;i9
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: >}+{;d
fg^AEn1i
static holder _1; #ibwD:{
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 UK
':%LeL
]n!V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Mu\V3`j
而不用手动写一个函数对象。 T/_u;My;
BJj'91B[d
H9mN nZ_k
i]v3CY|3AI
四. 问题分析 }QFL
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 YThVG0I =
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ?veeW6E(
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ,/\`Rc^n
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 oY)eN?c
下面我们可以对这几个问题进行分析。 h>/teHy /
?zW'Hi
五. 问题1:一致性 A2|Bbqd
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| KD kGQh#9
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 V<QpC5
~}.C*;J
struct holder )|~&(+Q?]
{ }r:"X<`
// B\J[O5},
template < typename T > +
[w 0;W_
T & operator ()( const T & r) const 6}^x#9\
{ sL$sj|" S
return (T & )r; p&(0e,`z/
} 74Jx \(d
} ; \ND]x]5d
:Y99L)+=/
这样的话assignment也必须相应改动: M| (VM=~
X+4Uh
I
template < typename Left, typename Right > >w3C
Ku<
class assignment %xkuW]xk
{ C- YYG
Left l; Bhv;l/K])
Right r; ^E70$yB^
public : X-\$<DiJGv
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 9q`Ewj R
template < typename T2 > QVT0.GzR
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } G\sx'#Whc
} ; w
<r*&
uw+nll*W%
同时,holder的operator=也需要改动: xV>
.]
Xf4Q Lw/r
template < typename T > REh"/d
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 5U2%X
pO
{ K*@?BE
return assignment < holder, T > ( * this , t); k79OMf<v
}
3f`Uoh+
K)'[^V Xh
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 )I%M]K]F
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 V%R]jbHZ#
#Pd9i5~N
return l(rhs) = r; 8-;.Ejz!\A
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ,RPb<3
B
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: f#s 6 'g
?NoNg^ Of
template < typename Tp > Otq3nBZ
class constant_t !X}+JeU'
{ < se ~wR
const Tp t; z
0?Me H#
public : C6e5*S
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} hC$e8t60
template < typename T > Es[3Ppz
const Tp & operator ()( const T & r) const `{#""I^_
{ AF:_&gF
return t; 3o rSk
} Hcf"u&%
} ; z>!./z]p
s)\PY
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 4-bM90&1t
下面就可以修改holder的operator=了 RPX.?;":
\#[DZOI~
template < typename T > ~BI`{/O=
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 94!}
Z>
{ _N5pxe`
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); #'/rFT4{v
} =ls+vH40&
JrBPx/?(,;
同时也要修改assignment的operator() gbdzS6XW~
|E6Thvl$
template < typename T2 > KcT(/!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } -o/Vp>_UOE
现在代码看起来就很一致了。 R*6TS"aL
/ :$WOQ
六. 问题2:链式操作 E?]$Y[KJKs
现在让我们来看看如何处理链式操作。 gYt=_+-
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。 5B~]%_gZr
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。 ^qL<=UC.
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。 'A[PUSEE
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct +P))*0(c_
K-'uE)
template < typename T > 4l0>['K&{
struct result_1 >FeCa
hFn
{ 56Lxr{+X
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; !~zn*Hm
} ; "C}<umJ'
92j[b_P
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: 2H;#L`Z*
Lq3<&$
template < typename T > y_:{p5u
struct ref V'b4wO1RV
{ ^4IJL",
typedef T & reference; ~JRq :
} ; ;Qt%>Uo8
template < typename T > |g hyH
struct ref < T &> KEy8EB
{ ?jmL4V2-f
typedef T & reference; uBG!R#T
} ; mBL?2~M
*lDVV,T'}w
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: eJf]"-
V1,p<>9
template < typename T > wtbN@g0
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const rrC\4#H[??
{ q"269W:
return l(t) = r(t); |zRrGQYm
} 9<&*iIrM
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。 kh}h(z^
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 fbM>jK
ShQ! '[J
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 MHp:".1
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: A p zC
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 _rSwQ<38>
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 D_(NLC
最后的布局是: d v4~CW%Td
Add 8i^
./P
/ \ n+
H2cl }
Divide 5 n3?
msY(*
/ \ H{*rV>%
_1 3 |J@
&lBlq
似乎一切都解决了?不。 P\@kqf~pC
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。 ydVDjE
Y
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。 Kf?:dF
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: ;P<h9(
UOj*Gt&
template < typename Right > sMLXn]m
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const jc3Q3Th/zn
Right & rt) const h143HXBi1+
{ O:'qwJ#~
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); rPr]f;
} p/eaO{6 6
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ZG +FX:v
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。 P@bPdw!JA
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。 3{qB<*!p"G
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。 "C3J[) qC
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。 P];0,;nF
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? 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: J3'q.Pc
/)RH-_63
template < class Action > |oOAy
class picker : public Action 3zmbx~| =\
{ p5"pQeS
public : %Cj_z
picker( const Action & act) : Action(act) {} :W>PKW`^
// all the operator overloaded k&L/JzzI
} ; "3 ++S
KL!cPnAUu
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。 \HrtPm`e
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: n5oX 51J
-cJ,rrN_9
template < typename Right >
|Ch,C
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Jza?DhSAZ
{ &E6V'*<93
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); mcidA%
} o&M.9V?~~
_PGd\>Ve
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > W!"QtEJ,
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。 !5h8sD;
d"E3ypPK
template < typename T > struct picker_maker _B^X3EOc
{ -awG14%
typedef picker < constant_t < T > > result; pyX:$j2R+%
} ; B[h^] k
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > unqUs08
{ -ON-0L
typedef picker < T > result; i`<L#6RBT
} ; *:+ZEFMq
_u;pD-
下面总的结构就有了: R'vNJDFY
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 !?).4yr
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 [+l6x1Am
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 j( k%w
至此链式操作完美实现。 Jqgm>\y
0 ;)Q
- q(a~Ge
七. 问题3 }/\`'LQ
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 x)Zm5&"Gg
p{v*/<.;
template < typename T1, typename T2 > Zl'/Mxg
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Dk$<fMS,7c
{ @vib54G
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 3*\Q]|SI!
} SHB'g){P
WrRY3X
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: BHU$QX
{jwLVKT$
template < typename T1, typename T2 > x)N QRd
struct result_2 N5`z S79W
{ ?F!c"+C
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Qv'x+GVW]
} ; &tf(vU;,'
Z'uiU e`&
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? 0s{7=Ef
这个差事就留给了holder自己。 ~H
}kItVx
Z]tQmV8e
template < int Order > 79}jK"Gc
class holder; f[R~oc5P0
template <> bWlYQ
class holder < 1 > _!vy|,w@e
{ =-r); d
public : y3j"vKG
template < typename T > |*b-m k
struct result_1 Q@PDhISa
{ ]xoG{%vgb
typedef T & result; C4gES"T
} ; 1tI=Dwx
template < typename T1, typename T2 > mvTp,^1
struct result_2 Jd v;+HN[
{ '3sySsD&O
typedef T1 & result; h<>yzr3fN
} ; 9;\mq'v%
template < typename T > wD$UShnm9-
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const E8R;S}PA
{ S-3hLw&?
return (T & )r; )[M:#;,L
} ":s_O.
template < typename T1, typename T2 > 1ZRkVHiz0
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const q
&{<HcP
{ X's<+hK&
return (T1 & )r1; #pK"
^O*!
} S-Bx`e9 '
} ; i'>5vU0?3
)cP)HbOd=
template <> (dQ=i
class holder < 2 > ZMiOKVl
{ 1kUlQ*[<|
public : UuF(n$B
template < typename T > Z_S{$D
struct result_1 Gky^S#
{ 0WSZhzNyY
typedef T & result; 7OG:G z+)x
} ; gGM QRRq
template < typename T1, typename T2 > s0D4K
struct result_2 jf)l; \u
{ \weg%a
typedef T2 & result; tk=S4/VWv
} ; YOrq)_ l
template < typename T > 7:b.c
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const eMFxdtH
{ { %]imf|g.
return (T & )r; |KS,k|).
} U-m MKRV
template < typename T1, typename T2 > ,5ZQPICF
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const =8<~pr-NO
{ ]cmX f
return (T2 & )r2; uZJfIC<>
} g|$;jQ\_
} ; #RU8yT
m~Q24Z]!'&
k1zK3I&c_
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> >。 5dE=M};v
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: +
Hv'u
首先 assignment::operator(int, int)被调用: (1GU
+Y~5197V
return l(i, j) = r(i, j); kL0K[O
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) -]D/8,|s
VHl1f7%@H
return ( int & )i; A%$~
return ( int & )j; $8HiX6r
最后执行i = j; R(VOHFvW6
可见,参数被正确的选择了。 2ag8?#
vxI9|i
P#XV_2
NY^0$h
i-5,*0e6m
八. 中期总结 ,R<9yEWm
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: PRTjXq6)5
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 324XoMO
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 &g^*ep~|#
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor <.gDg?'3
GfEWms8z
\#I$H9O
|C<#M<
25{_x3t^
2@GizT*mA
九. 简化 ^rP]B-)
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。 6b'.WB]-
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Q!U}
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: \y=oZk4
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 3)\fZYu)
+-*/&|^等 NM![WvtjW
2. 返回引用。 zB`woI28
=,各种复合赋值等 ?&~q^t?u
3. 返回固定类型。 V8TdtGB.|h
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Tsa]SN14
4. 原样返回。 ]6)u$4X6$
operator, x4H#8ZK!
5. 返回解引用的类型。 [p`5$\e
operator*(单目) \'*M
}G
6. 返回地址。 K SOD(
operator&(单目) tZKw(<am
7. 下表访问返回类型。 fZ7AGP
operator[] zN|k*}j1J
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 SFDTHvXu#_
operator<<和operator>> Q
zaD\^OF
z"UC$
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。 }P
fAf
例如针对第一条,我们实现一个policy类: A&~fw^HM
TxP+?1t
template < typename Left > W_Y8)KxG:L
struct value_return :Q3pP"H,}
{ #m{*]mY@
template < typename T > <TRhn z
struct result_1 5j1d=h
{ NBc^(F"
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Ws@'2i\;
} ; SNH 3C1
L8PX SJ
template < typename T1, typename T2 > tMiIlf!>p
struct result_2 VoZ{ I{>|
{ #T^2=7 w
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; *<