一. 什么是Lambda !)$e+o^W
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 AD^Q`7K?uR
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, 7/b\NLeJ'
)LDBvpJyQ
5Sv;a(}
JsD|igqF-
class filler vA&MJD{
{ Jwt_d}ns
public : j9^V)\6)
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} N83c+vs%c
} ; )]M,OMYq-
K|sk]2.
Vc*"Q8aZ~
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: -fCR^`UOS
^e\H V4s
Zb}U 4
r"xs?P&/$
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); f6k=ew
hYB3tT
&.1qixXIr
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 N/6!|F
$QB/n63
<kOdd)X
PQJw"[N/YM
二. 战前分析 <`'T#e$
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。 5/YGu=,
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 ^i8"eF
u%sfHGrH
hh7unHt-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); (bp4ly^
/* --------------------------------------------- */ |e{ ^Yf4
vector < int *> vp( 10 ); 7tQ?av
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 8 @A}.:
/* --------------------------------------------- */ SQs+4YJ
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); n4InZ!)
/* --------------------------------------------- */ p!>DA?vF
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); /^hc8X
/* --------------------------------------------- */ Aa4 DJ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); r&3EM[*Iw
/* --------------------------------------------- */ g$h`.Fk,
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); N.UeuLz
,xI
FF-[0
9v@P|
i+ICgMcd
看了之后,我们可以思考一些问题: "DvhAEM
1._1, _2是什么? F4DJML-(
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 ]8f$&gw&A
2._1 = 1是在做什么? Dgc}T8R
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。 q1pB~eg5
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。 OEnCN
I/* ULR,
*BHp?cn;F2
三. 动工 ~yiw{:\
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: U(/8dCyyY
V@o#" gZ
{5Sy=Y
fUq:`#Q
template < typename T > J_ 7#UjGA,
class assignment /tj_WO_
{ bXi(]5
T value; suHisc*
public : @Nn'G{8OG
assignment( const T & v) : value(v) {} %>-?oor
template < typename T2 > =z zmz7op
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } `Z^\<{z
} ; [JYy
P&IS$FC.\
:!yPR
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ~s*kuj'%+
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment &}r-C97
qs{wrem
>|aVGY
KAg-M#
class holder 9AJ"C7
{ K57u87=*X?
public : UM2yv6:/
template < typename T > =[,EFkU?B
assignment < T > operator = ( const T & t) const MdhD "Q
{ Q zp!)i
return assignment < T > (t); RQ;w$I\
} $Y M(NC
} ; C#n.hgo>I
tMH2
M|fC2[]v B
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: B`)TRt+'.
fd$nAE
static holder _1; @MP ;/o+
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 *k@D4F ruP
QB3er]y0%
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); dU-nE5
而不用手动写一个函数对象。 zX]l$Q+
.d6b?t
7%Ou6P$^fr
?x/Lb*a^
四. 问题分析 UCj{
&
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。 fp}5QUm-
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。 QmMA]Q
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 X?o6=)SC|
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 7{\6EC}d[&
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ~r_2V$sC2
$WXO1o(O
五. 问题1:一致性 .}Eckqkp
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?| 4~Y?*|G]m
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 "B>8on8O
(TU/EU5
struct holder 3L36
2
{ !v8](UI8-
// qu&p)*M5
template < typename T > $]rC-K:Z
T & operator ()( const T & r) const 0g9y4z{H
{ Xk!wT2;
return (T & )r; \-SC-c
} %C_c%3d
} ; kbo9nY1k
g
Hb/8X
!=
这样的话assignment也必须相应改动: nk;^sq4M:
a$\Bt_
template < typename Left, typename Right > H@b4(6
class assignment nok-![
{ "'C5B>qO
Left l; 9h/Hy aN
Right r; .>Qa3,v5
public : v#EFklOP
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [8Fn0A
template < typename T2 > ?aI.Z+#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } M:dH>
} ; !f]kTs]j~
BS
]:w(}[
同时,holder的operator=也需要改动: T;]Ob3(BpW
AiB]A}
template < typename T > *Nfotv
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const (\'$$
{ zp5ZZcj_
return assignment < holder, T > ( * this , t); ZL:SJ,C
} 6AoKuT;
IJVzF1vC
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。 [] el4.J,
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 lF
t^dl^
;/t~MH
return l(rhs) = r; WZTAXOw
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。 j+rY
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: "l hj1zZ
0wCQPvO
template < typename Tp > |3^U\r^zo
class constant_t r-*j"1 e
{ N.0g%0A.D
const Tp t; =dsEt\
j
public : [%O f
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _90<*{bt.
template < typename T > `<kB/T
const Tp & operator ()( const T & r) const O8cZl1C3
{ ANgt\8
return t; P)#h4|xZ
} n/x((d%"E
} ; /='Q-`?9
hC9EL=
A
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ?z2! ?
下面就可以修改holder的operator=了 {3.n!7+
CRD=7\0(D+
template < typename T > Ql%B=vgKL
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const UNK.39
{ Nukyvse
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); V]GF53D
} ^tjw }sE
!
,{zDMA
同时也要修改assignment的operator() S^;;\0#NK
~$C}?y^ a
template < typename T2 > !Z
0U_*&
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } k DXQpe
现在代码看起来就很一致了。 ;xiwyfqgE
axDa&7%
六. 问题2:链式操作 pwk Te
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ~)n[Vf
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。 <*WGvCh%w
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。 3fA+{Y8S
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。 X6T[+]Gc
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct W#E(?M[r
h"/'H)G7_&
template < typename T >
2W`WOBz
struct result_1 Xs# _AX
{ JWYe~
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; cy)-Rfg
} ; ![nL/
S;jD@j\t&
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: tv`b##
l($8HAJ
template < typename T > R\XS5HOE(
struct ref P3n#s2o6y
{ )<{u
oH
typedef T & reference; .9WOTti
} ; O9E:QN<U`*
template < typename T > LokH4A17U
struct ref < T &> J3~%9MCJ
{ j7QK8O$XL
typedef T & reference; 4/k`gT4
} ; e9
@{[
wu><a!3`=o
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: /-i m
g^^
ivn2
template < typename T > x0jaTlU/
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const -*Rf [|Z
{ w-2#CX8jY
return l(t) = r(t); PTLlLa85<
} fQ~TZ:UrU
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。 \HkBp&bqK
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 l qwy5#
+/l@ou'
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 _hJdC|/
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 9P)!v.,T/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 g1}:;VG=
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 'RhS%l
最后的布局是: Jwfb%Xge~
Add %8h=_(X\7
/ \ <7SE|
Divide 5 I.G[|[. Do
/ \ HA,8O[jon
_1 3 RgUQ:
似乎一切都解决了?不。 t72u%M6
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。 eY'nS
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。 4L ]4WVc
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: `GW&*[.7
|59)6/i
template < typename Right > |JF,n~n
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const *4NY"EwjN
Right & rt) const gzn:]Y^
{ n|6G\99l+M
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Du65>O
} 8Iu6r}k?~`
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 qg=`=]j
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。 {?Y\T
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。 r5ldK?=k+*
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。 [DDe}D3C
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。 /RMtCa~
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? 4v |i\V>M
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: D!!
B4zt
yYYP;N?g4k
template < class Action > ib#rT{e
class picker : public Action }e/vKWfT
{ `4snTM!v&
public : 2>o^@4PnZ
picker( const Action & act) : Action(act) {} nDO7
// all the operator overloaded
6?*Do
} ; 0kj5r*qA
,[6Rmsk
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。 )W>$_QxbN
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: T#i;=NP"
x {Utf$|
template < typename Right > nOd;Zw
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const XHj%U
{ M!5=3>Z
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); X-fWdoN @-
} J$42*S Y
U5wh( vi
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > O/FI>RT\H
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 [j5+PV
NK/y,f6
template < typename T > struct picker_maker Yj>4*C9
{ a>W++8t1 ;
typedef picker < constant_t < T > > result; Md@x2Ja
} ; S|)atJJ0G"
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 3@\/5I xn
{ e)B1)c 8s
typedef picker < T > result; @vyEN.K%mm
} ; 8 yi#] 5`Q
dm[cl~[
Q
下面总的结构就有了: b@8z+,_
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 cZ|NGkZ
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 ga/zt-&
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 z9 Ch %A{
至此链式操作完美实现。 ~cSXBc,+
du$M
,7bhUE/VB
七. 问题3 M1Ff ,]w
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。 ,cS#
&'&)E((
template < typename T1, typename T2 > }xt^}:D
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const mj e9i
{ s|A[HQUtJ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); e+-#/i*
} 6q8}8;STTY
J^yqu{
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: X,aRL6>r
U)Hc7%
e
template < typename T1, typename T2 > X>yDj]*4P
struct result_2 )Jk$j
{ #<"od '{U
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; n
nAtXVy
} ; 035jU '
YR0AI l:L
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? o*/;Zp==
这个差事就留给了holder自己。 95~bM;TVr
SO *oBA'
=TNFAt
template < int Order > HM0&%
class holder; qQ^CSn98J
template <> B-w`mcqp$
class holder < 1 > `<d.I%}
{ G^nG^HTo5
public : G!sfp}qW
template < typename T > ,LxZbo!
struct result_1 D
C/X|f
{ hvO$ f.i
typedef T & result; ]58~b%s
} ; $Z]@N
nA9N
template < typename T1, typename T2 > [ !#Dba#
struct result_2 D!Y@Og.
{ jQm~F`z
typedef T1 & result; NYP3u_
QX
} ; ~Yg)8
template < typename T > +@!\3a4!
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \RR`
F .7
{ BWxJ1ENM
return (T & )r; "1^tVw|
} f!yl&ulKU
template < typename T1, typename T2 > 5j.@)XXe
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const WHBGhU
{ X9|*`h <
return (T1 & )r1; $`W3`}#fM
} O&aD]~|
} ;
rn(
drG
4[x`\
template <> \
[OB.
class holder < 2 > J5Zz*'av'
{ $`7Fk%#+e
public : ysK J=
template < typename T > DFQ`(1Q
struct result_1 <";1[A%7<
{ H
$Az,-P
typedef T & result; oY0b8=[
} ; ibZ[U p?
template < typename T1, typename T2 > \8<[P(!3
struct result_2 2HBey
{ aW dI
typedef T2 & result; UW8yu.`?
} ; u;H^4}
OQ
template < typename T > !y~nsy:&7x
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const *bYU=RS
{
`ql8y '
return (T & )r; ]5QXiF8`
} ^_\m@
template < typename T1, typename T2 > `lOW7Z}
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ]!^wB 3j
{ "@^<~bw
return (T2 & )r2; dF 6od
} *q=\e 9
} ; 7J5jf231
eDP&W$s#
oKGF'y?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> >。 o:ow"cOEf
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: u? >x
首先 assignment::operator(int, int)被调用: Q.eD:@%iE
8(Ptse
,
return l(i, j) = r(i, j); >gL&a#<S
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) .!L{yU,
"O9n|B
return ( int & )i; HxW/t7Z(
return ( int & )j; l
lcq~*zz
最后执行i = j;
Nb3O>&J
可见,参数被正确的选择了。 x?B`p"ifS
rp<~=X
v)O].Hd
W0mvwYON[
h(AL\9{=}
八. 中期总结 YU6|/
<8
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: `u_MdB}<x;
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 &F#eYEuy
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 +RM!j9Rq
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 9eHqOmz
Z]{=Jy!F
lx5.50mI
7_Te-i
ndDF(qHr
"AXgT[ O
九. 简化 DAf@-~c
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。 Q.jThP`p
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 -wx~*
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: :%AEwRZ
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 @N<h`vDa
+-*/&|^等 %wru)
2. 返回引用。 .
4RU'9M
=,各种复合赋值等 NpM;vO
3. 返回固定类型。 <w*WL_P
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ct=K.m@E%X
4. 原样返回。 >h~ik/|*
operator, wsQuJrG
5. 返回解引用的类型。 x|d? '
operator*(单目) PWp=}f.y
6. 返回地址。 tj*0Y-F~
operator&(单目) o[eZ"}~
7. 下表访问返回类型。 95j`^M)Q
operator[] Tr}XG
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ep},~tPZn
operator<<和operator>> u' kG(<0Y
B0Z>di:
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。 wE<r'
例如针对第一条,我们实现一个policy类: [+W<;iep
]gnEo.R
template < typename Left > 0Ba]Zo Z
struct value_return f>Ua 7!b
{ P{%Urv{U
template < typename T > 9a+Y )?z
struct result_1 Hq gg*4#
{ y<nPZ<