一. 什么是Lambda Nz/PAs7g6
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 U'~M(9uv:
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, _y:-_q
)Fk*'6
9o%k [n
e1cqzhI=nA
class filler HiAj3
{ 7PTw'+{
public : nv$>iJ^~H
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 6Qtyv
} ; jW]Q-
BoJpf8e'-e
bu0i#
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: atr0hmQ
u@&e{w~0
0O>T{<
Qe,jK{Y<
-
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); m\zCHX#n
xER-TT#S
r2ZSkP.
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 an q1zH
Fnqj^5
z)tULnR8
;|qbz]t2(
二. 战前分析 ~jz!jF~I
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。 gXJtk;
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 |L9p. q
v9k\[E?
jk(tw-B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ?+)>JvWDz
/* --------------------------------------------- */ p
:{,~
1
vector < int *> vp( 10 ); :m]KVcF.
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); ql/K$#u
/* --------------------------------------------- */ )6U6~!k
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); q@i>)nC R
/* --------------------------------------------- */ zv.#9^/y
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); DpCe_Vb%M
/* --------------------------------------------- */ F\u]X
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Z.}Z2K
/* --------------------------------------------- */ "+XF'ZO
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); W3+;1S$k
`d c&B
/,d]`N!
cT21
看了之后,我们可以思考一些问题: f;D(X/"f]
1._1, _2是什么? @\U;?N~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。 vzX%x ul
2._1 = 1是在做什么? &s#O iF8
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。 QLxe1[qI
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。 D :)HKD.
FPb4VJ|xm
lvOM1I
三. 动工 ,_K y'B
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: -6W$@,K
P(oGNKAS
4V<.:.k
9y'To JZ6
template < typename T > _|r/*(hh
class assignment "]T1DG"
{ a#D \8;
T value; + L[a
public : ?`=
<*{_o
assignment( const T & v) : value(v) {} we0haK
template < typename T2 > ke<l@wO
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } y_``-F&Z
} ; @Os0A
I*z|_}$
8\F|{vt#
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 i);BTwW)#]
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment uS<og P
Aflf]G1
7aS%;EU
'2qbIYanh
class holder [_`<<!u>-
{ P^aNAa
public : j];#=+
template < typename T > EG8%X "p
assignment < T > operator = ( const T & t) const 4`Cgz#v
{
{ o)wOXF
return assignment < T > (t); C>Q|"Vf2
} %H[~V
f?d
} ; e/uLBZ
}#q0K
DzbcLg%:W
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: `z^50Vh|
hwQrmVwvP
static holder _1; mGpBj9jr1
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 s"`Oj5
xyP0haE
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); },=ORIB B:
而不用手动写一个函数对象。 )gx*;z@
$a|>>?8
5g`J}@"k
#Vhr1;j
四. 问题分析 >guX,hx^
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 8Ow#W5_3|
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 [F!h&M0z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 q>s`G
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 >}bkX
6c5
下面我们可以对这几个问题进行分析。 (&=3Y8
4Wu(Tps
五. 问题1:一致性 6>3zD)tG
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| TtrV
-X>L
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 RA!8AS?
610u!_-
struct holder )8taMC:H^
{ b\^1P;!'W
// iL<FFN~{
template < typename T > uF ;8B]"
T & operator ()( const T & r) const _}j6Pw'
{ g*-}9~
return (T & )r; L'$({
} Zbr1e5?
} ; = Qn8Y`U
j*FpQiBoT
这样的话assignment也必须相应改动: i!G<sfL
hXD`OlX
template < typename Left, typename Right > xouBBb=
class assignment b)>l7nOc
{ <O41M\,
Left l; QO>)ug+
Right r; _7R6%^
public : |RBL5,t^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} #'m#Q6`
template < typename T2 > [,Y;#;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } &Z}}9dd
} ; pf#R]
Abpzf\F
同时,holder的operator=也需要改动: kaRjv
{qm5H7sL
template < typename T > -%Jm-^F I
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 5! ]T%.rM
{ P
V9q=
return assignment < holder, T > ( * this , t); 8} X>u2t
} c],Zw
-aDBdZ;y
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。 a~k*Gd(
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 l xP!WP
{M23a
_t\
return l(rhs) = r; 'N&s$XB,
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。 F)50 6
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: SbobXTbG
Wt=%.Y(x
template < typename Tp > }5d|y*
class constant_t :2lM7|@/
{ EkOn Rm_hn
const Tp t; dCWq~[[
public :
T2t o!*T
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _AiGD
template < typename T > >p3S,2SM
const Tp & operator ()( const T & r) const h2aO-y>K
{ wh3Wuh?x
return t; h m(
} $wcV~'fM
} ; 9Z:pss@
W,%qL6qV
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 zB"y^g
下面就可以修改holder的operator=了 3P*"$ fH
Zf?jnDA
template < typename T > '1lz`CAB+
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const /pp;3JPf
{ [5]*
Be
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Ct0%3]<J
} G)=+Nt\*
^56#{~%^?
同时也要修改assignment的operator() >SS97 9
&qV_|f;
template < typename T2 > ++}#pl8e
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } LfsOGC
现在代码看起来就很一致了。 fM<g++X
hw&~OJeo
六. 问题2:链式操作 tY?evsVgz
现在让我们来看看如何处理链式操作。 6}_J;g\|
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。 Bn
Nu/02.=
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。 ]Wc 2$
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。 #~6X9,x=
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct HmpV;
<t3
."j*4
template < typename T > 6oGF6C
struct result_1 g1q%b%8T
{ rgu7g
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; M,eq-MEK
} ; s`L>mRw`
c`V~?]I>
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: M'xG.'
Lw{'mtm
template < typename T > HTP~5J
struct ref vFGVz
{ {"^#CSi
typedef T & reference; iu'r c/=V
} ; 3]/Y=A
template < typename T > -axmfE?g0
struct ref < T &> SA6.g2pFz
{ j"<F?k@`Q
typedef T & reference; [u8JqX
} ; V[">SiOg
1L.yh U\
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: D?cE$P
n4EZy<~m
template < typename T > M+\LH
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 5?MKx!%
{ !%YV0O0
return l(t) = r(t); :;Wh!8+j
} G6j9,#2@
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。 $!"*h
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 v:Z.8m8D
FuO'%3;c
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 gx6$:j;
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 86f/R
c
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 yl~h
`b4
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 $g)X,iQu
最后的布局是: t/:]\|]WB
Add ,m.IhnCV\
/ \ RkBbu4uQ-
Divide 5 :WdiH)Zv
/ \ W_G'wU3R
_1 3 lmr:PX
似乎一切都解决了?不。 (~n0,$
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。 zI3Bb?4.
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。 X6:
c-
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: '|K408i
2aO.t
template < typename Right > Hh.l,Z7i7D
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const V s1Z$HS`
Right & rt) const 54,
( ;
{ n>I
N J
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); xn4-^2
} "npLl]XM
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 _cH 7lO[
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 c*x5t"{
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 9!oNyqQ
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 }KwL_\>&f
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 2M+'9+k~
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? XqTDLM&
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: |0/~7l
~!W{C_*N
template < class Action > _8"%nV
class picker : public Action 2:l8RH!Y
{ KZSvT{
public : [ !#<nY/C
picker( const Action & act) : Action(act) {} GFBku^pi
// all the operator overloaded Q#rj>+?
} ; 4>W ov
eo&nAr
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 5m&Zq_Qe
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: S&YC"
<;Bv6.Z
template < typename Right > ,L}
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const pe$l'ur
{ |\MgE.N
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); mdTCe
HX
} vMV}M%~
0?
QTi(
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > .0>2j(
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。 aM|^t:
s!j[Ovtx
template < typename T > struct picker_maker &I$MV5)u
{ 3Rsbi
typedef picker < constant_t < T > > result; h|j$Jy
} ; I
;Sm<P7*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ?
@Y'_f
{ <wZ2S3RNA
typedef picker < T > result; N3J;_=<4
} ; |B;tv#mKD
:v!e8kM\x
下面总的结构就有了: 9I;d>%
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。 ]hL`HP
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。 t$lO~~atr
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 zg2}R4h
至此链式操作完美实现。 ?@i_\<A2
]FNqNZ
sox0:9Oqnf
七. 问题3 $Dm2>:Dmt
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 j!:^+F/
&6`h%;a/&
template < typename T1, typename T2 > 58@YWvAk
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const EBX+fzjQo
{ M3U*'A\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); zFqlTUD`t
} U\
Et
?2#MU
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: x$;I E
_Fz]QxO
template < typename T1, typename T2 > 7xIXFuu
struct result_2 +q/ j
{ aIl}|n"
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ShV#XnQ
} ; F5|6* K
\qAg]-
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? n5~7x
这个差事就留给了holder自己。 N%k6*FBp~
$-}a<UFE;
.m]"lH*
template < int Order > %&RF;qa2xu
class holder; <B?@,S>
template <> -<[MM2Y
class holder < 1 > j<-#a^jb
{ mu[:b
public : qBKRm0<W
template < typename T > +$-@8,F>
struct result_1 o&GS;{Rs
{ G'5p /:
typedef T & result; gxIGL-1M
} ; :4f>S)m
template < typename T1, typename T2 > GEdWpYKS-`
struct result_2 PE~umY]
{ _qq> 43
typedef T1 & result; CHeU?NtFps
} ; Stkyz:,(
template < typename T > Ca&5"aki
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 0Y_?r$M
{ {hzU
return (T & )r; (|<e4HfZL
} 0@K?'6
template < typename T1, typename T2 > 'Olp2g8=
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const UbD1h_b
{ 7S_rN!E1i*
return (T1 & )r1; sO,%Ok1
} h~]G6>D9)>
} ; OO Hw-MW
]ZD W+<
template <> yM*-em
class holder < 2 > @%7IZg;P6
{ 4$);x/
a
public : 7hs1S|
template < typename T > {{G`0i2KV
struct result_1 KxZO.>,
{ 5/vfmDt3'G
typedef T & result; INi9`M.h
} ; CWP),]#n
template < typename T1, typename T2 > o=t@83Fh5
struct result_2 \>T+\?M
{ [z2XK4\e1T
typedef T2 & result; bjQp6!TsZ
} ; u?(@hUV.
template < typename T > TY(B]Q_o
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .l| [e
{ 66P'87G
return (T & )r; #y<KO`Es
} iYqZBLf{S
template < typename T1, typename T2 > t<)Cbple\
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const L\cd=&b`
{ JnWG_|m)
return (T2 & )r2; 1S&GhJ<wJ
} Gb=pQ( n4
} ; KT 3W>/#E
gRnn}LL^
,g.*Mx`-
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> >。 'pCZx9*c
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: O%g
Q
首先 assignment::operator(int, int)被调用: a'T8U1
`&\jOve
return l(i, j) = r(i, j); WR&>AOWAD
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 'jw?XtG
rBOxI
return ( int & )i; -C]k YQ
return ( int & )j; #41xzN
最后执行i = j; ^#|Sl D]
可见,参数被正确的选择了。 $pKlF0 .
KASuSg+
+-DF3(
OcA_m.
Q]JWWKt6rV
八. 中期总结 aG"j9A~ &
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: (i1JDe
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 N~""Lc&
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 p?uk|C2
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor BBV"nm_(/
Ic 5TtN~/>
7L%JCH#F
Nl 4,c[$C
-0QoVGw
b^*9m PP
九. 简化 #?OJ9pyG'
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。 *oby(D"p
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 {8TLL@T4
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: iS p +~
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 .3X5~OH
+-*/&|^等 CIxa" MW
2. 返回引用。 [@VM'@e7
=,各种复合赋值等 _Sq*m=
3. 返回固定类型。 ?/M:
各种逻辑/比较操作符(返回bool) Xkqq$A4
4. 原样返回。 `"(FWK=8)"
operator, *~D|M
5. 返回解引用的类型。 O'm5k l
operator*(单目) J?wCqA
6. 返回地址。 h23"<
operator&(单目) TpAE 9S
7. 下表访问返回类型。 fH@P&SX