一. 什么是Lambda #x%'U}sF
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 yqK4 "F&
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, &J[a.:..
8s%/5v"
,b+NhxdZ
R`?l.0
class filler E*_^+ %
{ ));#oQol9
public : 5sD,gZ7
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} =lXj%V^8N
} ; ?0tg}0|
(}"D x3K
,w
}Po
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: 'm%{Rz>j
R;& >PFmq
?HZp@&
.=_p6_G
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); eE;tiX/
Hh<H~s [
~,'{\jDrS
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 SGd]o"VF
A5?"
<Ox[![SR
<3YZ0f f>
二. 战前分析 .u`[|:K
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。 q!K:N?
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 D-3[#~MV
s>rR\`
ejRK-!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ;?6vKpj;
/* --------------------------------------------- */ A=CeeC]}
vector < int *> vp( 10 ); &[.5@sv
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ."K>h3(&V
/* --------------------------------------------- */ &{iC:zp
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 3KLUH=)P
/* --------------------------------------------- */ 0r]n
0?x
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 0QQss
/* --------------------------------------------- */ <?jdNM
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 93-Y(Xx)bY
/* --------------------------------------------- */ ~m%[d.
}e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); yev!Nw
V la,avON
X/]@EF
C2LPLquD+
看了之后,我们可以思考一些问题: x"W~m.y$h
1._1, _2是什么?
K
+7
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 e4X
df>B
2._1 = 1是在做什么? N&8TG
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ?M2(80
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 ;#B(L=/
)cfi@-J+#
myx/ |-V"F
三. 动工 #kg`rrFr
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: _iwG'a[`
^<]'?4m]
[^>XRBSm
`i{d"H0E
template < typename T > B`tq*T%
class assignment r4.6W[|d
{ T&U}}iWN
T value; Re%[t9F&
public : Gk;YAI
assignment( const T & v) : value(v) {} ia6 jiW x
template < typename T2 > , ,3lH-C
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } PN}+LOD<t
} ; 0V%c%]PH
6K2e]r
U}v`~'K
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 :I"CQ
C[Z
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment E}^V@ :j>
3WV(Ok
ycGY5t@K@
*0WVrM06?
class holder Z:b?^u4.
{ EZtU6kW"
public : Xj?Wvt
template < typename T > ~{x1/eH
assignment < T > operator = ( const T & t) const ` Xc7b
{ gv!8' DKn
return assignment < T > (t); Z0|5VLk,<{
} s8j |>R|k
} ; yUoR6w
~f QrH%@
r}U6LE?>
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: x"r0<RK
u ExLj6
static holder _1; T+8Yd(:hX
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ,n|si#
g/?Vl2W
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); j*=!M# D
而不用手动写一个函数对象。 @uSO~.7
c
'|*{%<e2
|jsI-?%8J
verI~M$v{
四. 问题分析 RK# 6JfC3X
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。 whI{?NP
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。 .j6udiv5
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 2j\_svw'
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 OT#@\/>
下面我们可以对这几个问题进行分析。 +)jUA]hJ/
E4#{&sRT
五. 问题1:一致性 \0@DOW22C
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?| =g% L$b<i
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 b3NIFKw
glAS$<
struct holder eSPS3|YYn
{ $KcAB0 B8
// "tEp8m
template < typename T > 1N5
E
T & operator ()( const T & r) const '2,~'Zk
{ opX07~1
return (T & )r; FlO?E3d
} O[X*F2LC4
} ; /08FV|tX)
2:LUB)&i
这样的话assignment也必须相应改动: %$BRQ-O
PW*Vfjf4
template < typename Left, typename Right > x;ik
class assignment 5-dt0I@<
{ B<W}:>3
Left l; +'H[4g`
Right r; VPCI5mS_
public : IRW0.'Dn
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 2"0VXtv6
template < typename T2 > gI:g/ R
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } o:8ns m
} ; L3]J8oEmU
tpI/Ibq
同时,holder的operator=也需要改动: lM-\:Q!
cGot0' mB
template < typename T > v[CR$@Y
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const G<Z}G8FW^
{ ]4rmQAS7"
return assignment < holder, T > ( * this , t); Q`CuZkP(
} vc#o(?g
b[vE!lJEq
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。 5 nt3gVy
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 01Jav~WR
+\dVC,,=^g
return l(rhs) = r; $G=^cNB|JB
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 0jp].''RK\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: QPy h.9:N
H UJqB0D
?
template < typename Tp > ~B<\#oO
class constant_t eDd&vf
{ #y\O+\4e
const Tp t; ,Wtw0)4
public : }$?FR
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Uo3
template < typename T > ueg%yvO
const Tp & operator ()( const T & r) const \Y xG
{ l@Lk+-[D
return t; +m_.?V6
} o HK
} ; HB9"T5Pd*
]H`wE_2tu
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 `(W"wC
下面就可以修改holder的operator=了 F"Dr(V
RXRbW %b
template < typename T > 9FEhl~&
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const mtUiO
p
{ COi15( G2
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); m?-)SA
} V7$ m.P#uM
Yjg$o:M
同时也要修改assignment的operator() cfmwz~S6i
<n_?$ TJ
template < typename T2 > %+r(*Q+0$f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ^;II@n
i
现在代码看起来就很一致了。 hC-uz _/3
hu-]SGb6
六. 问题2:链式操作 |E13W
现在让我们来看看如何处理链式操作。 k(f),_
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 df{?E):
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 n%r>W^2j
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 e"@r[pq-{u
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct
Z%#e* O0
)~M@2;@L
template < typename T > U& GPede
struct result_1 mmQC9nZ
{ S1k*"><
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; *gmc6xY
} ; TJ)Nr*U3_
X&Oo[Z
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: u`EK^\R
azZ|T{S
template < typename T > .p{lzI9
struct ref eg~
Dm>Es
{ y0O(n/
typedef T & reference; [KUkv
} ; `&I6=,YLp
template < typename T > hGFi|9/-u
struct ref < T &> <\*)YKjn/@
{ {9J|\Zz3
typedef T & reference; 28JVW3&)
} ; s=$xnc}mf
2?(/$F9X,
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: $d1ow#ROgy
tE>FL
template < typename T > I
N@ ~~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const UXZ3~/L5 O
{ qX&+
return l(t) = r(t); .0nT*LF
} `LH 9@Z{
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 t:dvgRJt*
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Ob%iZ.D|3<
[voc_o7AI
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 S|d /?}C|e
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: g=KK
PSK
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 hW~% :v
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ^PdD-tY<
最后的布局是: Z9mI%sC[(
Add j gV^{8qG
/ \ 02 FLe*zQ
Divide 5 06NiH-0O
/ \ .}E<,T
_1 3 5hqXMs
似乎一切都解决了?不。 ko.%@Y(=
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 z:UkMn[
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 0gyvRM@ x[
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: OL=X&Vaf<
j % MY6"
template < typename Right > DN8I[5O
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 4Zjd g`
Right & rt) const ZS l K
{ ?:q"qwt$F
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 0r@LA|P
} Jv(E'"H
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 5i$P$ R
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。 x8z6 <
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。 0?R$>=u
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 /3+E-|4s
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 0$XrtnM
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? =5:vKL j
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*!H&1L
I9TNUZq('
template < class Action > n n[idw
class picker : public Action 0o6r3xc;
{ 5Bcmz'?!
public : qoan<z7
picker( const Action & act) : Action(act) {} `U?S 9m
// all the operator overloaded mGz'%?zj
} ; 4YOLy\"S
-Hi_g@i*XW
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。 KJn 3&7
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: aSm</@tO&
WnQ'I=E#~
template < typename Right > AzGbvBI&V
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const rI)&.5^
{ hAi'|;g
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); P^-x
} Ty 6 XU!
%[,^2s
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ^')4RU
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。 VuBi_v6
Kd#64NSi$A
template < typename T > struct picker_maker B_r:da CS:
{ v&^N +>p
typedef picker < constant_t < T > > result; RplcM%YJn
} ; kSJ:4! lFU
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > X7aj/:fXe
{ hO3C _}
typedef picker < T > result; Y5>'(A>
} ; 8BIPEY -I?
Xp^>SSt:4
下面总的结构就有了: B]D51R\}VE
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。 X bV?=
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。 -r_ Pp}s
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 =c[mch%E
至此链式操作完美实现。 RvW>kATb_F
I7ySm12}
Erl@]P4
七. 问题3 UR`pZ.U?
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。 @[(%b{TE;
:Ea]baM"
template < typename T1, typename T2 > wZ8LY;
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const `Q^Vm3h
{ k/xNqN(
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); BW)t2kR&
} zHj_q%A
KrECAc
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: `O=LQ m`
M+Y^ A7
template < typename T1, typename T2 > atFu
KYI
struct result_2 FLlL0Gu
{ I8hmn@ce
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; j%0g*YI
} ; RG_)<U/B
V> eJ
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? =1kjKE !
这个差事就留给了holder自己。 1n
ZE9;o
$r)nvf`\
64!V8&Ay
template < int Order > !91<K{#A{
class holder; ]_)=xF19
template <> Lop=._W
class holder < 1 > VM
ny>g&3
{ T|nN.
public : qo;F]v*pkK
template < typename T > > cJX'U9
struct result_1 Sytx9`G 5
{ I=`efc]T
typedef T & result; |}roR{gc|
} ; M#>f:_`<
template < typename T1, typename T2 > M8lR#2n|
struct result_2 LYiz:cQh
{ Y) 4D$9:
typedef T1 & result; ~oBSf+N
} ; KWV{wW=-
template < typename T > ?9H.JR2s%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ~Urj:l
{ yYTiAvN
return (T & )r; [+y/qx79
}
o;:a6D`
template < typename T1, typename T2 > -1u N
Z{0
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z.0^:rVp~
{ >G+?X+9
return (T1 & )r1; *SZ*S%oS3
} iNs
} ; ZGOI8M]@
7"
cgj#
template <> RT2a:3f
class holder < 2 > dQFx]p3L
{ $}7WJz:
public : KH&xu,I
template < typename T > 2?7a\s
struct result_1 C44Dz.rs
{ aI8K*D )@
typedef T & result;
`Uw^,r
} ; P3YG:*
template < typename T1, typename T2 > bsmnh_YRj
struct result_2 5k}UXRB?
{ o' DXd[y
typedef T2 & result; W,>;`>
} ; ',*
6vbII
template < typename T > yz2NB?)
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const g<{W\VOPm
{ f;%4O'
return (T & )r; m[u
6<C
}
S,v9\wN.
template < typename T1, typename T2 > NC2PW+(
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z)(C7,Xu
{ /T*]RO4%>]
return (T2 & )r2; *Mqg_} 0Y
}
FyQ^@@
} ; )P.|Xk:r
Wcn^IQ
D058=}^HE
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 : C;=<$
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ;xa]ke3]
首先 assignment::operator(int, int)被调用: _B|g)Rdv
#,qikKjt2
return l(i, j) = r(i, j); HWGlC <
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int)
n/UyMO3=
BiHBu8<
return ( int & )i; _" F(w"|
return ( int & )j; rC<m6
最后执行i = j; QTK{JZf
可见,参数被正确的选择了。 rReZ$U
y?aOk-TaRA
v *~ yN*
W#0pFofXw
Rm *"SG
八. 中期总结 `h
Y:F(
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]ouBG8/
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 +Mv0X%(N
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 `^afbW
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor Yb x4 Up@
J(-#(kMyf
$X-,6*
Fu m1w
^ yu^Du
]]%CO$`T[
九. 简化 Z!|nc.
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。 /)y~%0
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 /{1 xpR
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: mrd(\&EhA
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 88)0Xi|]KP
+-*/&|^等 WohK,<Or
2. 返回引用。 'J<KL#og
=,各种复合赋值等 dmrM %a}W-
3. 返回固定类型。 #ZGWU_l}
各种逻辑/比较操作符(返回bool) M* QqiE
4. 原样返回。 kAbT&Rm"
operator, FAU^(]-5m
5. 返回解引用的类型。 fwxyZBr
operator*(单目) P/Sv^d5=e
6. 返回地址。 i' |S
g
operator&(单目) K#F~$k|1B
7. 下表访问返回类型。 z6FG^
operator[] Jp5~iC2d
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 S`X;2\:
operator<<和operator>> A"z')
T?7ZF+yo6
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 OjeM#s#N!
例如针对第一条,我们实现一个policy类: JYKA@sZHe
[>?B`1;@
template < typename Left > |TEf? <"c
struct value_return 8 s:sMU:Q
{ Gz~P
0Z^w}
template < typename T > +\.gd L)
struct result_1 rMf& HX
{ 4U>
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; `t ZvIy*
} ; :fpYraBM
bUz7!M$
template < typename T1, typename T2 > |n~,$
struct result_2 O2Rv^la
{ p#J}@a
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; O,xU+j~)
} ; ]rHdG^0uss
} ; se$GE:hC1Q
i':<