一. 什么是Lambda }rxFS
<j
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 \[E-:
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, 4H9xO[iM
3mA/Nu_
JOHp?3 "4
*<3iEeO/R
class filler QQ|9>QP
{ g[<uwknf
public : _Fvsi3d/
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} "j;!_v>=f`
} ; B2"+Hwbk
Faw. GU
%J3lK]bv(
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: &`5 :GLV
pb=HVjW<
T/3;NXe6E
Xa6qvg7/
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ,XP@ pi
{Bv`i8e
^f"&}%" M
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 ri;r7Y9V9`
'jwTGT5x
a\|X^%2g
w7[0
二. 战前分析 .y(@Y6hO
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。 [/n'@cjNZ
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 @~Rk^/0
UvoG<;
K
oL%}u&
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nFSG<#x\
/* --------------------------------------------- */ Z 'Zd[."s
vector < int *> vp( 10 ); y& Gw.N}<r
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); O/'f$ Zj36
/* --------------------------------------------- */ X]>[Qz)K^
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); I[vME"
/* --------------------------------------------- */ ~n)]dFy
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ZlUFJ*pk
/* --------------------------------------------- */ m}sh I8S
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); S:DcfR=a
/* --------------------------------------------- */ zbdOCfA;
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); (u$!\fE-et
ggzAU6J
bK6, saN>
"1E?3PFJ
看了之后,我们可以思考一些问题: G;Pt|F?c
1._1, _2是什么? hlt9x.e.A
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 4h[2C6
\+`
2._1 = 1是在做什么? (gv=P>:
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 |2tSUOZ
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 HE4`9$kVLr
zV9
=
Z{j!s6Y@{
三. 动工 )2
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \Or]5ogT'
<5C=i:6%
w/)e2CH
f4qS OVv
template < typename T > @*AYm-k
class assignment ?^F*"+qI
{ S8rW'}XJ=H
T value; U<#$w{d:
public : YLr%vnO*NS
assignment( const T & v) : value(v) {} j=zU7wz)D
template < typename T2 > ~QQEHx\4zZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } {3_F fsg`
} ; H"kc^G+(R"
x|P<F 2L
bUEt0wRR
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 7l4InR]
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment [U_Q 2<H
aH~x7N6!
!IQfeoT
y'i:%n}I
class holder rVc
zO+E
{ S:"z<O
public : ~`W6O>
template < typename T > 3tx0y
assignment < T > operator = ( const T & t) const oqQ? 2k<@
{ DT1i2!
return assignment < T > (t); ^+Y-=2u:
} +)''l
} ; -X6\[I:+A
e2_r0I^C
UlLM<33_)
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: >V ]*mS%K
,AFC 1t[0
static holder _1; ._F6- pl
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Sj=69>m]5
K[3D{=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); , L AJ
而不用手动写一个函数对象。 ?Pok-90
yScov)dp(
$=S'#^Z
A(!ZZ9Wc
四. 问题分析 CzDR% v x
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。 k(vEp]
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。 v1tN
DyM6
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 W>
-E.#!_
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 S<bz7
k9
下面我们可以对这几个问题进行分析。 }i/2XmA )
JQVw6*u{
五. 问题1:一致性 %N AFU/&
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{h
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 (w@MlMk
$'mB 8 S
struct holder c#4L*$ViF
{ 7AFS)_w
// ?}lp o; $
template < typename T > G:6$P%.
T & operator ()( const T & r) const g cK"
{ ^J}$y7
return (T & )r; i2%m}S;D9
} 4\eX=~C>:
} ; -aeo7C
la"A$Tbu~
这样的话assignment也必须相应改动: E(4lu%
g:3'x/a1
template < typename Left, typename Right > GO
GXM4I
class assignment j7HlvoZV
{ 6+f>XL#w
Left l; <[B[
Right r; 'Tan6Qa
public : {@F["YPxy
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} R_*D7|v
template < typename T2 > O[(HE8E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 'V9aB5O&
} ; LU IT=+
"i<3}6/*
同时,holder的operator=也需要改动: 0jZ{ ?
dK(%u9v
template < typename T > n#L2cv~Aj"
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ~m09yc d<
{ <{xAvN(:
return assignment < holder, T > ( * this , t); Xgth|C}k
} 41Q
![D,8]GD
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 }GNH)-AG)$
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 {$TB#=G
J]^gF|
return l(rhs) = r; }br<2?y,
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 88=FPEU
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类:
T]Td4T!
.dLX'84fY
template < typename Tp > W]Y!ZfGnN
class constant_t ?9okjLp1n
{ 9n\#s~,
const Tp t; *]| JX&
public : ez:o9)N4
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} MdboWE5i
template < typename T > .O-DVW Cm
const Tp & operator ()( const T & r) const IV#f}NrfD
{ Ty|c@X
return t; W9m[>-Ew
} x4A~MuGU
} ; ; Kb[UZ1
L , Fso./y
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 n~i4yn=
下面就可以修改holder的operator=了 VP[!ji9P
Gz5@1CF
template < typename T > "/-v 9
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const tYNt>9L|
{ dQ~"b=
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); c Yn}we}7
} Kf<_A{s
CIvT5^}
同时也要修改assignment的operator() /,%o<Ql9
A8/4:>Is
template < typename T2 > <l/Qf[V
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } I2!HXMrp
现在代码看起来就很一致了。 X1qj
l_A
?G<IN)
六. 问题2:链式操作 &L`p4AZ
现在让我们来看看如何处理链式操作。 yVv3S[J
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 +NMSvu_?
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 TmAb!
Y|F
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 .[85<"C
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ' *C)S
(uz!:dkvx
template < typename T > ?S:_J!vX{
struct result_1 R}<s~` Pl
{ "jMnYEG
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; p5t#d)
} ; pra&A2Y\
S$/3K q
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: #T`+~tW'|
*heQ@ww
template < typename T > L<]PK4
struct ref Z}S tA0F_
{ ,R6$SrNcd
typedef T & reference; y^BM*C I
} ; <L#r6y~H
template < typename T > >maz t=,
struct ref < T &> YL0RQa
{ Hf|:A(vCx
typedef T & reference; +c_CYkHJ/
} ; ?V&a |:N9
W4a20KM2
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: IvH+94[)
a8$pc>2E
template < typename T > F\<i>LWT'
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const e|y~q0Q$
{ }1 ^.A84a
return l(t) = r(t); mn` Ae=
} j
pV
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。 .C?g nOq
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 -3Hq 1
vkmR
cX:/
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 JwcP[w2
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 7X>3WF
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 _;W|iUreb
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 TUr}p aw_
最后的布局是: {eV_+@dT
Add f;a6ux#
/ \ K)OlCpHc
Divide 5 na)ceN2h
/ \ )cXc"aj@s
_1 3 XwMC/]lK<
似乎一切都解决了?不。 s<]l[Y>
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。 _Qas+8NW
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。 ^\%%9jY
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: i|Wn*~yFOO
>sq9c/}X
template < typename Right > 5Tq 3L[T5;
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const y5}|Y{5
Right & rt) const @hPbD?)M
{ ,zaveQ~l
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 2BY:qz%:
} P2kZi=0
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 `x{gF8GV
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。 7 &Aakl
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。 :nt%z0_
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。 3}Pa,uN
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。 Ycwb1e#
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? }2S \-
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: `Ii>wb
bMYRQ,K`C
template < class Action > gUcE,L
class picker : public Action x4K5
{ &~8}y+z
public : )d~Mag+
picker( const Action & act) : Action(act) {} -~g3?!+Hb
// all the operator overloaded ]jYM;e
} ; "O`;zC
%M`&}'6'
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。 qCMcN<:>
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: \?ZdUY
gqhW.e}]
template < typename Right > `}bUf epMJ
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 6`i'
{ uH#NJoRO
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); v|xlI4
} <|4j<U
?g&]*zc^\
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > q%"nk
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。 `#V"@Go
2-~oNJqX
template < typename T > struct picker_maker y.Py>GJJ1S
{ 5^k#fl2
typedef picker < constant_t < T > > result; C"}x=cK
} ; vlD]!]V:h
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ra3WLK
{ qrdI"
typedef picker < T > result; 3O.-'U1K
} ; R8E<;^?j
"~ /3
下面总的结构就有了: }fA3{Ro
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。 Vl EkT9^:
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。 gSC@uf
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 [Xrq+O,
至此链式操作完美实现。 ;KhYh S(q
g^idS:GtX5
mH?hzxa+
七. 问题3 }LRAe3N%8
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。 %/s1ma6q
}XUHP%
template < typename T1, typename T2 > @6E[K'5c1
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const X:Zqgf
{ yU\|dL
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); B}Qo8i7
z
} I9MI}0}7
>eXNw}_j
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: )-9/5Z0v
'fB `e]_
template < typename T1, typename T2 > $$4% .J26Z
struct result_2 L/ZZe5I
{ CR/LV]G
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; V$@2:@8mo
} ; 4 (yHD
dug RO[
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? suVS!}
C
这个差事就留给了holder自己。 e' Zg F~
8_uDxd
czp5MU_^
template < int Order > ,"/_G
class holder; t!~mbx+
template <> !>+
0/
class holder < 1 >
A=,m
{ 83dOSS2
public : |`|b&Rhu
template < typename T > ^b%AwzHH}
struct result_1 o%dtf5}(,
{ Y5;:jYk#<_
typedef T & result; LP87X-qkjW
} ; /#X O!%=7
template < typename T1, typename T2 > V=c&QPP
struct result_2 l`1ZS8 [.
{ h$k(|/+
typedef T1 & result; mMMu'N
} ; * T-XslI
template < typename T > UKzmRa,s
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const iCHZ{<k
{ c(~M<nL0
return (T & )r; IL~yJx_11
} :\>UZ9h #
template < typename T1, typename T2 > zJ\I%7h*
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const `wq\K8v
{ "ZH1W9A
return (T1 & )r1; A ^~\
} ^yX
W.s
} ; UeVF@rw
A[b'MNsv
template <> iX,Qh2(ig
class holder < 2 > 7#RW4ZM
{ !ine|NM
public : 5/(Dh![l
template < typename T > OZ-F+#d
struct result_1 SsaF><{5R
{ o~~_ >V)W
typedef T & result; UqAvFCy
} ; ='mqfGRi>
template < typename T1, typename T2 > RpreW7B_Q*
struct result_2 z*R"917
{ =\q3;5[
typedef T2 & result; "\BLi C
} ; xX&*&RPZ
template < typename T > DZ EA*E >
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 'al-C;Z
{ h+vKai
return (T & )r; *zmbo >{(
} ';
qT
template < typename T1, typename T2 > Z(V4"x7F
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const tV<Au
{ F'Wef11Yz
return (T2 & )r2; h[ tOY
} 'SuYNA)
} ; {yJ{DU?%Y
M#:Mwa$
"=qdBG9
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/GD[9$i
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Hiq9Jn uv(
首先 assignment::operator(int, int)被调用: F35e/YfG
0z,c6MjM+
return l(i, j) = r(i, j); NE/3aU
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Z'u`)jR
n9)/(=)>*
return ( int & )i; /+3|tb
return ( int & )j; lfCoL@$6D
最后执行i = j; {gJOc,U4b
可见,参数被正确的选择了。 $ccI(J`zux
-]N/P{=L
Ex~OT
rR."_Z2
W/+|dN{O+g
八. 中期总结 p[W8XX
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: or(Z-8a_
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ZZ4W?);;
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 /Cwt4.5
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor fa$ Fo(.
Iy"
$rf5\_G,96
n#m )]YQC
u dH7Q&"
:^px1
九. 简化 G`w7dn;&
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。 n|{x\@VeF
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Ll&Y_Ry
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: P
hn&hRAO
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 {-H6Z#b[
+-*/&|^等 y|c]r!A
2. 返回引用。 3vmZB2QG
=,各种复合赋值等 Z!tt(y\
3. 返回固定类型。 #Mi>f4T;
各种逻辑/比较操作符(返回bool) w!tQU9+*
4. 原样返回。 tZ4W]od
operator, @|r*yi
5. 返回解引用的类型。 ~,dj)x
3M
operator*(单目) RaG-9gujI
6. 返回地址。 ck-wMd
operator&(单目) eBG7]u,Q
7. 下表访问返回类型。 Wrt3p-N"D
operator[] ,HR~oT^
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 c7S<ex,
operator<<和operator>> lshO'I+)*
|f.=Y~aY
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。 8!E$0^)c|
例如针对第一条,我们实现一个policy类: hE+6z%A8
_! \X>rfz
template < typename Left > N!aV~\E
struct value_return ;,4 Z5+
{ [\eUCt F
template < typename T > Lab{?!E>U
struct result_1 sl>4O]N
{ :,6dW?mun6
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Nmns3D
} ; hAKyT~[n0
]g!k'@
template < typename T1, typename T2 > PUF"^9v
struct result_2 ^pAqe8u_
{ 8kX3.X`
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; cBiv=!n
} ; &EV|knW
} ; AZxOq !B
)%f]`<