一. 什么是Lambda :q=%1~Idla
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 }Mo=PWI1?
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, EPS={w$'s
W.z;B<
!v X D
yMyE s 8
class filler 7G.#O}).b
{ n.wF&f'D]
public : n,=VQOu
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} m0LTx\w!
} ; Nndddk`
"5;;)\o~
@.G[s)x
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: ~7Ts_:E-
^[]}R:
x\F,SEj
,
FhekaA
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); '6Ay&A3N]
CF+_/s#j^
350_CN,
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 u`y><w4i
J\d3N7_d
%FXfqF9
ObLly%|i
二. 战前分析 I"Ms-zs
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。 r)Ap8?+
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 8#(Q_
V+Cwzc^j
/DQc&.jK
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L !=4N!j
/* --------------------------------------------- */ _7IKzUn9g[
vector < int *> vp( 10 ); )N=NR2xBZ
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); _{R=B8Zz\
/* --------------------------------------------- */ '&.#
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); :>D[n1v
/* --------------------------------------------- */ R<sJ^nx
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); t'BLVCu
/* --------------------------------------------- */ (7XCA,KTGI
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); _/Gczy4)#
/* --------------------------------------------- */ V6t,BJjS
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); `kbSu}
~.A)bp
5O~HWBX.
4AG\[f
8q
看了之后,我们可以思考一些问题: b7 !Qn}
1._1, _2是什么? rA2g&
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。 6b%WHLUeT
2._1 = 1是在做什么? BhM'@g*
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。 T%6&PrQ7
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。 rFaF
Bd
9so6WIWc
c7tfRq
n+
三. 动工 zunV<2~(2}
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: `!Ds6
CamE'
*c%oN
|
o&`<+4
i
template < typename T > 2WtRJi?b|
class assignment w;k):;$
{ >Y_*%QGH_
T value; Jd5:{{Lb
public : ##@$|6
assignment( const T & v) : value(v) {} ?CC"Yij
template < typename T2 > `)GrwfC
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ~=8uN<
} ; {Zh>mHW3
e&>;*$)
)K,F]fc+O
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 3pK*~VK
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment L:_bg8eD#
u:m]CPz
ogL EtqT
cU{e`<xjA
class holder PQK(0iCo4
{ k]5Bykf`Ky
public : z;A>9vQ_J
template < typename T > Vs%|pIV
assignment < T > operator = ( const T & t) const QmLF[\Oo_
{ S+'rG+NJ
return assignment < T > (t); SfJ./ny
} ]Ar\c["
} ; r *$Ner
EI_
@y82L8G/
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: .k
3'
1Ab>4UhD
static holder _1; %g1,Nk
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ^
<Pq,u%k
KN tt
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); cx}Q2S
而不用手动写一个函数对象。 (FJ9-K0b{n
L=q+|j1>
}0u8r`
0
;b[QRmy
四. 问题分析 b&=5m
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 6KVnnK
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 /ODXV`3QYI
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 mp9{m`Jb*
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 +)j1.X
下面我们可以对这几个问题进行分析。 h$.:Uj8/
VQ0fS!5'
五. 问题1:一致性 +hE(Ra#
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?| hSFn8mpXT
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;5tazBy&:C
zo[[>MA
struct holder ^|/](
{ W?eu!wL#p
// 0pJ
":Q/2)
template < typename T > ZTU&,1Y ;
T & operator ()( const T & r) const rAs,X
{ QHWBAGA
return (T & )r; Pb8^ b
} (y?ITz9
} ; =QK$0r]c'k
wMdal:n^
这样的话assignment也必须相应改动: GrTulN?
^bc;[x&N
template < typename Left, typename Right > c%[#~;E
class assignment KN?6;G{
{ txcf=)@>V
Left l; g8w2Vz2/
Right r; )ZBY* lk9
public : _UT$,0u_i
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ^2$ lJ
template < typename T2 > ^=:9)CNw(
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } -jn WZ5.
} ; x5QaM.+=J
^S)cjH`P
同时,holder的operator=也需要改动: Pt&(npjN,
'yV?*a
template < typename T > "Ae@lINn[y
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const
1~l
I8
{ #7ov#_2Jd
return assignment < holder, T > ( * this , t); 63.wL0~
} ^{xeij/
.[Ap=UYI>
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。 +=]!P#
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 @FC"nM
' j6gG
return l(rhs) = r; FJ %
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。 _>=L>*
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: vTaJqEE
$b<6y/"
template < typename Tp > KAsS[
class constant_t ZkIgL
{ f)g7
3=
const Tp t; -AhwI
public : N gLU$/y;
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _=q!
BW
template < typename T > [tg^GOf '
const Tp & operator ()( const T & r) const H)aQ3T4N5
{ etoo
#h"]1
return t; v3GwD00
} uP<0WCN
} ; WHAQu]{
ALEnI@0
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ?d4m!HgR
下面就可以修改holder的operator=了 t=*@yQ
nB
yA)(*PFz
template < typename T > iA0q_( \X
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const mo1oyQg8
{ nOQa_G]Gz
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); qim
'dp:
} 7T"XPV|W6
?KITC;\\
同时也要修改assignment的operator() 4*aZ>R2hO
4J?t_)
template < typename T2 > $2<d<Um~z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ^/5XZ} *
现在代码看起来就很一致了。 #/NS&_Ge0s
,ZQZ}`x(
六. 问题2:链式操作 <BO)E(
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ? tfT8$
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。 cgb2K$B_"
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 i 9g>9
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 kGL1!=>
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct l ^d[EL+
+4\U)Z/\
template < typename T > 'kYwz;gp
struct result_1 .i^7|o:
{ (mtoA#X1:h
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; s;1]tD
} ; K_
lVISBQ
`fNG$ODL
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: t6BHGX{o
Hg9CZMko
template < typename T > _BFOc>0
struct ref pDQ}*
{ yQ3OL#
typedef T & reference; &QG6!`fK}3
} ; VdP`a(Yd;
template < typename T > f30Pi1/h=c
struct ref < T &> 6YuY|JD
{ t+?P^Ok
typedef T & reference; [ >^PRs
} ; saU]`w_Z*
OEPa|rb
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: -k(CJ5H9
sz--27es
template < typename T > ^'p|!`:
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const A~Xq,BxCV
{ zZiJ 9 e
return l(t) = r(t); Qu<Bu)`
} aF|d^
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。 `z0{S!
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 XE3'`D!
5/gDK+%4D(
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 dq IlD!
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: eZr&x~]
-w
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 V:/7f*n7
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 _SACqamo5s
最后的布局是: JlKM+UE:
Add AF43$6KZP$
/ \ ubu?S%`
Divide 5 &TG5rUUg
/ \ 7O`o ovW$
_1 3 W23]Bx
似乎一切都解决了?不。 SEl#FWR
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。 u*7Z~R
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。 .D4bqL
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: >xA),^ YT
p"*y58
template < typename Right > WZ!WxX>zO
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const
-
O"i3>C
Right & rt) const F?m?UQS'u
{ W>M~Sk$v
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); VD4C::J
} FuX 8v
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 dY"}\v6
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。 $|KaBx1
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 =e><z9hY
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 AM} brO
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 }j1!j&&
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? d bS
+
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: /D_+{dtE
`]$?uQ
template < class Action > _{jP;W
class picker : public Action +pH@oFNK
{ o5\b'hR*#
public : n:U>Fj>q
picker( const Action & act) : Action(act) {} 0Q5 93F
// all the operator overloaded p.fF}B
} ; ED$DSz)x
BIf^~jAER%
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 ?zq+jLyo
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: PN$
.X"D8
i`)!X:j
template < typename Right > tvX>{-M
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Fv?=Z-wk
{ j%<}jw[2
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); A>NsKWf{
} yBLUNIr
}<MR`h1
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > +:6Ii9GN
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。 Lt#'W
Sx]
T/xq
template < typename T > struct picker_maker i.iio-
{ ]%RNA:(F'
typedef picker < constant_t < T > > result; P&*sB%B
} ; +VEU:1Gt
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > )[&_scSa
{ @\(v X ]
typedef picker < T > result; ?IX!+>.H
} ; OlxX.wP
8_uzpeRhJc
下面总的结构就有了: [O-sVYB
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。 5 waw`F
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。 ,]Zp+>{
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 }8'&r(cN4
至此链式操作完美实现。 |0bc$ZY:
2aw&F Z?
BbJkdt7
七. 问题3 }tST)=M`
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ^T4Ay=~{
2
Tvvq(?T
template < typename T1, typename T2 > h5|.Et
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 2aNT#J"_
{ F5gObIJtuY
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Jx-wO/
} WV kR56
iO!6}yJ*V
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Y9 r3XhVI
vxN0,l
template < typename T1, typename T2 > =Pe><k
struct result_2 ED![^=
{ ,:v&4x&=
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 7z~Ghz
} ; 9x~-*8aw
OIaYHA
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? <o:@dS
这个差事就留给了holder自己。 [JTto!Ih$
U; xF#e
0vs0*;F;
template < int Order > (7$$;
class holder; O>DNC-m)i{
template <> =~FG&rk^
class holder < 1 > CfT/R/L
{ f1{z~i9@$
public : H*e'Cs/
template < typename T > ;~zNqdlH
struct result_1 "Q+83adY4x
{ s<T?pH
typedef T & result; ((DzUyK
} ; NVIWWX9?
template < typename T1, typename T2 > c^I0y!
struct result_2 e`UQz$4!
{ 9\O(n>
typedef T1 & result; ,8K'F
} ; c5i%(!>
template < typename T > ,axDMMDI
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const _Sj}~H
{ ;q#]-^
return (T & )r; 'u[%}S38
} ;\b@)E}
template < typename T1, typename T2 > L&w.j0fq
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const "-i#BjZl/
{ yFIIX=NC
return (T1 & )r1; /Ic[N&
} EO"C8z'al
} ; p6 xPheD
?F$6;N6x
template <> BD;H
class holder < 2 > zQuM !.
{ 2:v <qX
public : 4L:>4X[T
template < typename T > z%"Ai)W/{
struct result_1 \SYvD y]
{ LPE)
typedef T & result; delf
]
} ; ]EL\)xCr
template < typename T1, typename T2 > RtF8A5ys
struct result_2 9R]](g#
{ $iMC/Kym
typedef T2 & result; ku.A|+Tn
} ; WfVMdwz=
template < typename T > K;kM_%9u
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const T)\NkM&
{ `1'5j "v
return (T & )r; 9&jPp4qG
} LdWc
X`K
template < typename T1, typename T2 > >BiRk%x
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const "n- pl
{ >A jCl
return (T2 & )r2; !EFBI+?&
} TgaYt\"i[
} ; <f%/px%1
9Q[>.):
kojG-M
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 r,'O).7
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: /7p>7q9g
首先 assignment::operator(int, int)被调用: #( uj$[o
<'*4j\*
return l(i, j) = r(i, j); q Z\L
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) @ ^.*$E5
,/o(|sks
return ( int & )i; /t{=8v~
return ( int & )j; \|q-+4]@,
最后执行i = j; k=uZ=tUft*
可见,参数被正确的选择了。 sv=^k(d3
WN0c%kz=
P4%>k6X
f-+.;`H)T
)Qr6/c8}
八. 中期总结 euZ(}+N&
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: ?`. XK}
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 M_&4]\PkCy
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 T|+$@o
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor #O|lfl>}
&z ksRX
Zz")`hUG
tp+=0k2i
#:
hVF/
)0|):g
九. 简化 pTET%)3
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。 Wm>b3:
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 BTs0o&}e
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: "_)|8|gN
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 #JS`e_3Rr
+-*/&|^等
SsRVd^=;x
2. 返回引用。 *<dHqK`?C
=,各种复合赋值等 ]L(54q;W
3. 返回固定类型。 ,wTg$g-$
各种逻辑/比较操作符(返回bool) B/_6Ieb+
4. 原样返回。 EIK*49b2
operator, 6+ANAk
5. 返回解引用的类型。 {Q<0\`A
operator*(单目) %BICt @E
6. 返回地址。 h#O"Q+J9n
operator&(单目) A\g%
7. 下表访问返回类型。 \_>?V5(
operator[] @LC~*_y
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 }} # be
operator<<和operator>> dJE`9$jN
%yhI;M^
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 >;}]pI0T
例如针对第一条,我们实现一个policy类: K P6PQgc
`oPLl0
template < typename Left > aH^{Vv$]M@
struct value_return tQf!|]#J
{ j@SYXKL~
template < typename T > 4tnjXP8
struct result_1 bqNLkw#
{ %O_t`wz
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; &%:*\_2s
} ; _/Tlqzp
25&nwz
template < typename T1, typename T2 > $owb3g(%4
struct result_2 )-)pYRlO
{ ,5:![
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; L6 kZ2-6
} ; @ AggznA8
} ; 4L11P
iP,v=pS6
?q6Z's[
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 8E
9{
Gf
R(GmU4
下面我们来剥离functor中的operator() A`Q
>h{
首先operator里面的代码全是下面的形式: } bCK
uDI}R]8~
return l(t) op r(t) .xo_}Vw
return l(t1, t2) op r(t1, t2) QA! #s\
return op l(t) ~}9Bn)@
return op l(t1, t2) c-`37. J
return l(t) op r8F{A6i N
return l(t1, t2) op h-,?a_
return l(t)[r(t)] *@~`d*d
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] Seg#s.
k!9=
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式:
"Ac~2<V
单目: return f(l(t), r(t)); +/(|?7i@
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); A{M+vsL
双目: return f(l(t)); IuDT=A
return f(l(t1, t2)); &p)@8HY
下面就是f的实现,以operator/为例 1oB$u!6P
LVoyA/F
struct meta_divide +#9xA6,AE
{ {sl~2#,}b1
template < typename T1, typename T2 > avVmY|I
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) >^;(c4C
{ InP[yFV-z
return t1 / t2; ~@ ?"'!U
} _~:j3=1&