一. 什么是Lambda 2;DuHO1
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 nwF2aRNV
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, U<_3^
=pS5uR~
fj;y}t1E]
)W;o<:x3
class filler 4;0lvDD
{ 5n9B?T8C
public : ]);%wy{Ho
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Hn%xDJ'
} ; Vt".%d/`7
+~mA}psr
3 I@}my1
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: O06"bi5Y
]dGw2y
lTV'J?8!-a
CkoLTY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); uF9C-H@:
8T!+ZQAz
OHb[qX\
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 3W3ZjdV+
?"i}^B`*
g" .are'7
LHkc7X$
二. 战前分析 e
:%ieH<
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。 WSp
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 odjT:Vr
;7 E7!t^
VFURAYS
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); FrL]^59a
/* --------------------------------------------- */ e%@~MQ-
vector < int *> vp( 10 ); >aj7||K
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); +#lM
/* --------------------------------------------- */ ZaV8qAsP
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); -ZRO@&tMD
/* --------------------------------------------- */ N343qU
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Py@wJEo
/* --------------------------------------------- */ rA5=dJ"I
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); x7jC)M<k0
/* --------------------------------------------- */ Rn9m]x
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); (`c
[#0=n
-bT)]gA2
'E/^8md>
D(AXk8Vub
看了之后,我们可以思考一些问题: T"E6y"D
1._1, _2是什么? i+S)
K
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。 ?fUlgQ}N
2._1 = 1是在做什么? Jrti
cK$
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。 r^3acXl
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。 -EkWs/'h
'B 43_
$c:ynjL|P-
三. 动工 Vzdh8)Mu\
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: W&&;:Fr
vd
0ljA
HkUWehVm
pgI^4h
template < typename T > Lvq>v0|
class assignment )4gJd?
8R
{ 6@{(;~r
T value; VEqS;~[
public : }L+L"l&
assignment( const T & v) : value(v) {} %,6#2X nX%
template < typename T2 > Sa?ksD2IaB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } TDFkxB>
} ; #h8Sq~0
zF8dKFE~
)z73-M V"
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 q Gw -tPD<
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment
gX]-\
vq^f}id
+e yc`J
;#xmQi'`
class holder ]b7zJUz
{ 6K-_pg]
public : r@+ri1c
template < typename T > OWjk=u2Lz
assignment < T > operator = ( const T & t) const p?7v$ev_
{ ftvG\T f
return assignment < T > (t); ~sl{ |E
} 2Ga7$q
} ; ;V*R*R
}XV+gyG=@
4)h]MOZ
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: )Dw,q~xgg0
!}v=N";c
static holder _1; Oiz ,w7LRh
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Ljxz.2LGr
tyXuG<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4C<jdv_J
而不用手动写一个函数对象。 WN?O'E=2
Rot@x r7Hc
.S(TxksCz
cZB7fmq%
四. 问题分析 T>}5:,N~
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 L+Xc-uv["p
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 5][Ztx
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 5R@
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 \`oT#|0
下面我们可以对这几个问题进行分析。 0B@SN)<kH
DoJ\ q+
五. 问题1:一致性 J&[@}$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?| ,0*&OXt
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 !UG
7Uer
4
N H
struct holder Ir`eL
{ 'Jt]7;04p
// a`&f
template < typename T > { /K.3
T & operator ()( const T & r) const WN{ 9
{ 0fF(Z0R,
return (T & )r; Pz>s6 [ob
} !c}O5TI|#
} ; Hyb3 ;yQ
iVp,e
这样的话assignment也必须相应改动: K/tRe/t}
6-yd]("
template < typename Left, typename Right > "U!AlZ`g
class assignment WG N=Y~E
{ d
F9!G;V
Left l; Cdas P9"1
Right r; y4*U6+ #.
public : A'q#I>j`
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} TD1 [
template < typename T2 > i5Zk_-\#H
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } C~nzH,5
} ; f!oT65Vmi
p2n0Z\2
同时,holder的operator=也需要改动: @hJ%@(
|]J>R
template < typename T > l>Z5 uSG
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const tZ}
v%3
{ o7J
return assignment < holder, T > ( * this , t); PZE0}>z
} 0Fk5kGD,&K
:*ing
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。 0y
7"SiFY
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 lsNrAA%m
oFy=-p+C
return l(rhs) = r; FME3sa$
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。 >TOu|r
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: +W:=e,=
{Or;
template < typename Tp > %MrWeYd1
class constant_t 0'V5/W
{ _d"b;4l
const Tp t; ^HV>`Pjd}=
public : (eCJ;%%k
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} }`W){]{kO
template < typename T > ?&|5=>u2}$
const Tp & operator ()( const T & r) const *+j*{>E
{ @x"0_Qw
return t; RA KFU
} d]:I(9K
} ; w8kOVN2b
-R57@D>j\
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Fy`(BF\
下面就可以修改holder的operator=了 q;<h[b?
_CW(PsfY
template < typename T > :uWw8`
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const v}1QH
{ ]8Q4BW
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); k 8UO9r[
} 1u:
gFUb
6^]!gR#B
同时也要修改assignment的operator() E"+QJ~!
5&v~i\Q
template < typename T2 > RRRCS]y7$t
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 4*Q#0`um
现在代码看起来就很一致了。 S/D^
B$b +Ymu
六. 问题2:链式操作 in~D
现在让我们来看看如何处理链式操作。 '+osf'&
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。 )3~{L;q
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。 V'kX)$
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。 zUKmx y@
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct G'6@+$ppS
Qp/QaVQ+
template < typename T > Tav*+
struct result_1 H*[M\gN$
{ X:6c}p%,!
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; &?q/1vLa
} ; *MJX?
_59huC.
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: rW+ =,L
H-~6Z",1
template < typename T > Z?%zgqTXb
struct ref `&D|>tiz
{ GM3f-\/
typedef T & reference; cm?\
-[cV
} ; P8>~c9$I
template < typename T > ^c&L,!_)H
struct ref < T &> Wn(6,MDUN
{ kO|L bQ@=q
typedef T & reference; bsB*533
} ; :/Q
\~fONBY
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: {5F-5YL+>
^
q<v{_
template < typename T > :a$\/E =
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ~nrK>%
{ AS\F{ !O
return l(t) = r(t); BaSZ71>9]r
} H`0|tepz
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。 }UWL-TkEjF
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 DV _2P$tT|
.u4
W /
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ig/%zA*Bo
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: S,Xnzrz
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ?)u@Rf9>
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 CaL\fZ
最后的布局是: G5CI<KRK#
Add *q()f\
/ \ @>p<3_Y1
Divide 5 j!]YNH@
/ \ fZ*+2T>
_1 3 vJ'2@f$
似乎一切都解决了?不。 s;3= {e.
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。 M7@2^G]p
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。
8DegN,?
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: a>GyO&+Dkg
4|CtRF<L
template < typename Right > %`r?c<P}
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const N7O-2Z *
Right & rt) const Cn "s`
q
{ 1(|'WyD
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1`a5C.v
} C!fMW+C@
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 BFo5\l:q8
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。 LUqB&,a}
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。 X&7F_#s
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。 &o,<ijJ:^m
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@9t;dZN
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? RLLTw ?]$
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: cNM3I,o7
T[j#M+p
template < class Action > ZuS0DPS`L
class picker : public Action #6+@M
{ b/C`Jp
public : ><gG8MH0'
picker( const Action & act) : Action(act) {} pKit~A,Q
// all the operator overloaded bT^I"
} ; 5u*-L_
'H
\9:7
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。 4:r!|PJn{G
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: HbXPok
|Z=^`J
template < typename Right > qI~xlW
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Tl2C^j
{ @wE5S6! B\
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); (X?%^^e!
} 4}4Pyjh
A29gz:F(
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > |j#C|V%kV
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。 1 D<_N
J"=vE=
template < typename T > struct picker_maker ^yyC
[Mz
{ wtH?
[>S;)
typedef picker < constant_t < T > > result; (2:/8\_P
} ; DX"xy
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > G0^2Wk[
{ 6~1|qEe6I
typedef picker < T > result; o1FF"tLkN
} ; y0'Rmk,
)u/yF*:n
下面总的结构就有了: 6^%68N1k
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。 dIRm q+d^
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。 FRg^c
kb"
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 l}]t~!X=
至此链式操作完美实现。 5[*
qi?w=
S$Q8>u6Wk
v?&
-xH-S
七. 问题3 763v
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。 IHJ=i-
oAPb*;}
template < typename T1, typename T2 > BV>\ McI+
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const .pN`;*7`
{ 0},PJ$8x
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); =gJb^
Gx(w
} ,'p2v)p^4
$`z)~6'
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: (UU(:/
iy 14mh\ ~
template < typename T1, typename T2 > A7%:05
struct result_2 t4-pM1]1_
{ f"u%J/e &
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; k;w- E
} ; .)<(Oj|4
j}~86JO+Cw
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? $+>M{fg?
这个差事就留给了holder自己。 WC.t_"@
o[cV1G
LAd\ Tvms
template < int Order > ,0hA'cp
class holder; JWMpPzs
template <> q.2ykL
class holder < 1 > a^=-Mp
{ 3WUTI(
public : ($}`R
xj1@
template < typename T > :&:JTa1cv
struct result_1 TW[_Ko86
{ 21< j\
M
typedef T & result; U` Wauv&
} ; r9
!Tug*>m
template < typename T1, typename T2 > yp66{o
struct result_2 {3.r6ZwCn
{ OU/MiyP2
typedef T1 & result; brdmz}
} ; 0 0M@
template < typename T > Kwg4sr5"D
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const n(L\||#+
{ 4Qo]nre!
return (T & )r; + j W1V}h
} w0C~*fn3l
template < typename T1, typename T2 > 1;mW,l'`
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 72oF ,42y
{ p\JfFfC
return (T1 & )r1; %5A+V0D0'
} dO4{|(z
} ;
AiK
jSwf*u
template <> \o/n
class holder < 2 > uU:CR>=AKW
{ <oo
public : '*?WU_L(g
template < typename T > &9"-`-[e:
struct result_1 }b0; 0j
{ <_XWWT%
typedef T & result; 9\]^|?zQ`
} ; yq NzdzX
template < typename T1, typename T2 > IjR'Qou5
struct result_2 RW }"2
{ yRiP{$E
typedef T2 & result; k31I ysh
} ; ^8@Iyh
template < typename T > j'BMAn ?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ##EYH1P]
{ hYM@?/(q
return (T & )r; Xa[?^P
} dVFf.
template < typename T1, typename T2 > ODC8D>ZYl
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const tX"Th'Qi
{ ,I_^IitN
return (T2 & )r2; &bp=`=*
} Ie4 hhW
} ; HjGyj/78w
K"[AxB'F
'I /aboDB
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> >。 Ce")[<:
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Xixqxm*8
首先 assignment::operator(int, int)被调用: D*YM[sN`
8kIR y
return l(i, j) = r(i, j); =n'
4?W@
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ^-[ ?#]
qq1 - DG
return ( int & )i; %0mMz.f
return ( int & )j; BYo/57&:
最后执行i = j; mUz\ra;z
可见,参数被正确的选择了。 6^c>,.R
^+m+zd_
i6 (a@KRY
}LijnHH.
LI6hEcM=
八. 中期总结 Wf&W^Q
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: BZXUwqEh
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 =T7A]U]
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 yT#{UA^
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 9gEssTkts
{s_+?<l
Gsc\/4Wx
Z+StB15
3:f[gV9K
Xj5~%DZp
九. 简化 XFh>U7z.
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。 DmBS0NyR7Y
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 Z KOXI%~Mc
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: {vN}<f`
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 YNBHBK4;
+-*/&|^等 ,s_T pq
2. 返回引用。 OHflIeq#@
=,各种复合赋值等 $Tb G+Eb8
3. 返回固定类型。 )5.C]4jol
各种逻辑/比较操作符(返回bool) L:k9#6
4. 原样返回。 ph#tgLJ
operator, `)Z!V?&