一. 什么是Lambda l+6@,TY1U
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 YhglL!pC
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, l2W+VBn6
o/,%rA4
PT,*KYF_O"
,e$RvFB
class filler <hy!B4
{ \I i#R
public : $#e}9g.
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} (421$w,B%
} ; ?~.9:93
E l.eK9L
dk]
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: (:~_#BA
pvt/{
#q34>}O< O
6T~+vT
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Kg2@]J9m
Vt zSM%=
% O%;\t
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 n3J,`1*ct
lbIW1z%:sy
N0lFx?4
`,pBOh|'
二. 战前分析 fU.hb%m)Q\
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。 .6n|hYe
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 w0js_P-uv
sdXchVC
.w\4Th#
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); W{ozZuo
/* --------------------------------------------- */ hHw1<! M
vector < int *> vp( 10 ); 8_>:0(y
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); u(r
T2
/* --------------------------------------------- */ "OUY^ cM
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); X+emJ&Z$@
/* --------------------------------------------- */ '%Oo1:wJ
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); $?: -A
/* --------------------------------------------- */ lKI]q<2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); j }^?Snq
/* --------------------------------------------- */ rf$[8d
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); c?xeBC1-
vA*NJ%&`
ZQz;EV!
*sfz+8Y
看了之后,我们可以思考一些问题: !5m~qet.
1._1, _2是什么? h*P0;V`UX
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。 +f]I7e:qp
2._1 = 1是在做什么? ?\Y7]_]/
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。 0x'Fi2=`
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。 k3OnvnJb
Tig6<t+Q
,,9vk \
三. 动工 %u|Qh/?7
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: QIN# \
Grd9yLF
`n|k+tsC
IfRrl/!nw
template < typename T > %ULd_ES^
class assignment "J
>,
Hr9
{ &:+_{nc,
T value; Z.>?Dt
public : !})3Fb
assignment( const T & v) : value(v) {} I$i1o#H
template < typename T2 > Pt;\]?LVrD
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } a~tBg y+9
} ; p-g@cwOu
E\}Q9,Z$
kr1^`>O5
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 d7c m?+
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Z[j-.,Qu
)>=|oY3
xi\uLu?i
hi]\M)l&x
class holder 6B?1d
/8V
{ 0j/i):@
public : ~ YZi"u
template < typename T > 8>:2li
assignment < T > operator = ( const T & t) const HoM8V"8B
{ VxAR,a1+n
return assignment < T > (t); }Ty_} 6a5
} DNM~/Oo
} ; uoBPi[nK
,%m$_wA$
gD fVY%[Z
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: pm;g)p?
7@VR:~n}k
static holder _1; GHWpL\A{8`
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 M9S[{Jj*
`V0]t_*D
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 7
~ Bo*UM
而不用手动写一个函数对象。 wY}+d0Ch
Ki@8
Ix5yQgnB}j
0MzHr2?'P
四. 问题分析 3?/}
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。 |y=D^NTG
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。 %nc+VL4
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 (C QgT3V
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 J.`.lQ$z
下面我们可以对这几个问题进行分析。 *XzUqK
u09OnP\
五. 问题1:一致性 kp;MNRc
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| Z#W`0G>'
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。
IWpUbD|kC
Q{Bj(f
struct holder (/Y
gcT
{ &q` =xF
// ZNA?`Z)f
template < typename T > ?,),%JQ
T & operator ()( const T & r) const ]g+(#x_.?
{ IweQB} d
return (T & )r; qx? lCz a"
} en~(XE1
} ; eZJOI1wNp
i|d41u;@
这样的话assignment也必须相应改动: y.eBFf
;NPb
template < typename Left, typename Right > %r,2ZLZ
class assignment hQ8{
A7
{ >\p}UPx
Left l; ,!py
n<_
Right r; =O_[9kuJ
public : 02S(9^=
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ta4<d)nB
template < typename T2 > <*5D0q#~"
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 3 \WdA$Wx
} ; XAFTLNV>
g%[Ruugu
同时,holder的operator=也需要改动: IH0^*f
9VY_gi=vL
template < typename T > ohyUvxvj
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const p]g/iLDZ
{ 2I4P":q
return assignment < holder, T > ( * this , t); 1-[{4{R
} 1Q$ M/}
xX>448=
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。 &boBu^,94
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 jH G(d$h
tE>:kx0*3
return l(rhs) = r; J8D-a!
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。 QBo^{],
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: tr} $82Po
wLbnsqa
template < typename Tp > Y{'G2)e
class constant_t Stw6%T-
{ y|mR'{$I
const Tp t; Q&\k"X 1
public : v>P){VT
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ?d%}K76V<
template < typename T > ixkg,
const Tp & operator ()( const T & r) const 0nd<6S+fs
{ MLb\:Ihy
return t; 1f:k:Y9i
} vT~ a}
} ; =w5w=qB
rYqvG
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 33C#iR1(WJ
下面就可以修改holder的operator=了 lqs_7HhvRS
/4f;Niem
template < typename T > 8|/YxF<
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const x/<.?[A
{ C!P6Z10+j
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 5-QXvw(TH
} w$!n8Aqs
/L
4WWQ5
同时也要修改assignment的operator() "8X+F%
ij),DbWd
template < typename T2 > G#*;3X$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ?m.4f&X
现在代码看起来就很一致了。 Cu:-<
h^)2:0#{I
六. 问题2:链式操作 dd+).*
现在让我们来看看如何处理链式操作。 xVPGlU
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。 I|:j~EY
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。 aU! UY(
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。 @mazwr{B
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct -wt2ydzos
b,W'0gl
template < typename T > wtKh8^:YD
struct result_1 (qrT0D6
{ 9+']`=a:
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; z=U!D `]v
} ; }ie]7N6;
9.B7Owgr89
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: HKwGaCj`
|"<
I\Vs:
template < typename T > !|/fVWH
struct ref uI[*uAR
{ )em.KbsPPF
typedef T & reference; Z0=OR^HjA
} ; uwka 2aSS
template < typename T > |<0@RCgM
struct ref < T &> #rwR)9iC0
{ SJ-Sac58r
typedef T & reference; ]lY9[~
v
} ; loJ0PY'}=
-G 'lyH
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: e{,/
mI%/k7:sf
template < typename T > NsHveOK1.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ;=OH=+Rl
{ 5PPpX =\
return l(t) = r(t); oX~CTunP
} wW4S@m
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。 i]z
i[Zo$
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 h(-&.Sm")H
Q/9b'^UJ
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 [}p.*U_nw
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: @gc"-V*-/
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 EoeEg,'~F
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 EiUV?Gvz
最后的布局是: P$Q&xN<#)
Add Cs{f'I
/ \ h~p}08
Divide 5 jHCKV
/ \ |_*$+
_1 3 Kc0OLcu^d
似乎一切都解决了?不。 vp@+wh]#
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。 =*Xf(mh c
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。 MjTKM;
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: 3XtGi<u
@UJmbD{
template < typename Right > z
sPuLn9G
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const )|x5#b-lz
Right & rt) const
lijy?:__
{ cG:`Zj~4
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); YC<I|&"
} +kL(lBv'
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ex458^N_
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。 ]o$/xP
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 1`{ib
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 G65N:
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 D$E9%'ir
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? `t&;Yk]-L
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: C5UDez
S+Yg!RrNqj
template < class Action > ;g
jp&g9Q
class picker : public Action 6,1|y%(f
{ C6~dN&q
public : /p0LtUMu
picker( const Action & act) : Action(act) {} us%RQ8=k
// all the operator overloaded zQ}N
mlk
} ; !++62Lf
8zWPb
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。 [Gy'0P(EQ
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: V?BVk8D};
5FI>T=QF
template < typename Right > iGLYM-
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const -d'|X`^nE
{ GNc|)$
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); P*Sip?tdE
} z_@zMLs
FaE orQ
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > o q)"1
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&v~kzLr+
T(^8ki
template < typename T > struct picker_maker gq3OCA!cX
{ 22~X~=
typedef picker < constant_t < T > > result; wtLMc
} ; mtddLd,
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > q)+n2FM
{ :OaQq@V
typedef picker < T > result; 1o 78e2B
} ; [)>8z8'f
mp3_n:R?
下面总的结构就有了: x)ZH;)
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。 }Xv1KX'
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。 1iL
xXd
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 }F6b ]
至此链式操作完美实现。 XF$]KAL0
Tk&9Klo
%nf=[f
七. 问题3 s,H(m8#>
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 C)p<M H<
%5?-g[
template < typename T1, typename T2 > B
RjKV
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4^_Au^8R(
{ 9?chCO(@
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ^l&4UnLlc
} ky$:C,1t
^)^|;C\`
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=ST
t`t:qko
template < typename T1, typename T2 > 5XO'OSdYq
struct result_2 yc=#Jn?S
{ q<[ke
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; }IkEyJsk
} ; .eB"la|d
{eN{Zh5"
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? =2]rA
这个差事就留给了holder自己。 VQjFEJ
1";e'?^x
C+m^Z[
template < int Order > )Q/`o,Vm
class holder; EiP&Y,vT
template <> B\>}X_\4
class holder < 1 > JO{-
P
{ 42wC."A
public : lv_%
template < typename T > edk9Qd9
struct result_1 _XNR um4
{ <sYw%9V
typedef T & result; {)9HS~e T
} ; @<TZH
template < typename T1, typename T2 > RdvTtXg
struct result_2 6ri?y=-c
{ tSc>@Q_|
typedef T1 & result; r9a!,^}F
} ; &t|V:_?/x
template < typename T > AYu'ptDNr
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const G^@Jgx3n
{ \ +-hn
return (T & )r; =)1YYJTe9
} $o$Ev@mi
template < typename T1, typename T2 > jsi#l
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const c$<O0dI
{ 7cP[o+
return (T1 & )r1; ) wo2GF
} ;@YF}%!+W
} ; m<,G:?RM
3et2\wOX1x
template <> })Mv9~&S
class holder < 2 > cc(r,ij~4
{ sa(M66KkU
public : -WBz]GW4r
template < typename T > n5*{hi
struct result_1 Fp6[W5>(-
{ +'Y(V&
typedef T & result; +;wqX]SD &
} ; =
EChH@3
template < typename T1, typename T2 > 9_A0:S9Z
struct result_2 /xm#:+Sc
{ :;*#Qh3"
typedef T2 & result; kPX2e h
} ; lPcVhj6No%
template < typename T > 5az
4N T
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const . (*kgv@3x
{ H^PqYLjN
return (T & )r; g=g.GpFt
} <AAZ8#^
template < typename T1, typename T2 > r|\'9"@
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const eo*u(@
{ CVSsB:H6e
return (T2 & )r2; s@)"IdSA(
} EfBVu
} ; !k= 0X\5L
azDC'.3{p
^Im%D(MY
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 |RAQ% VXm
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: :CkR4J!m3
首先 assignment::operator(int, int)被调用: o=RqegL
,[}yf#8@J
return l(i, j) = r(i, j); c<h!QnJ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Gz[ymj)5
e=n{f*KG`
return ( int & )i; F`BgKH!
return ( int & )j; tC@zM.v%
最后执行i = j; mQ^@ \s
可见,参数被正确的选择了。 o&XMgY~
w^'?4M!
.xLF}{u
C=dx4U~
*n*N|6+
八. 中期总结 PZ!dn%4jy
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: yhtvr5z1
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 s{z~Axup-
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 oLqbR?
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 2htA7V*dD
!,6v=n[Nz
_D2bGZN
Y7:Y{7E7
9"HmHy&:E
\Ul.K!b7
九. 简化 Mi/ &$"=
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。 ]Ic?:lKN
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 V^`?8P8d
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: (+gL#/u
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 |:(23O
+-*/&|^等 `Ge +(1x
2. 返回引用。 jqX@&}3@
=,各种复合赋值等 >Z2,^5P{
3. 返回固定类型。 Rgfc29(8
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 7Js>!KR
4. 原样返回。 e\A(#l@g
operator, 2%{YYT
5. 返回解引用的类型。 GIRSoRVsh
operator*(单目) /J[H5uA
6. 返回地址。 uFm+Y]h
operator&(单目) F[7Kw"~J
7. 下表访问返回类型。 d@D;'2}Yc
operator[] X@yr$3vC
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 e:$7^Y,U/
operator<<和operator>> /Oggt^S
sk7rU+<
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。 uK;K{
例如针对第一条,我们实现一个policy类: |YE,) kiF
,XeyE;||
template < typename Left > U50s!Zt45
struct value_return $/, BJ/9
{ Y[iDX#
template < typename T > )H;pGM:
struct result_1 &PRx,G5
{ F%PwIB~cy
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 0HHui7Yy>
} ; uOG-IHuF
8NaL{j1`
template < typename T1, typename T2 > zmB31' _
struct result_2 ol$2sI=.s
{ >&<<8Ln
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; p| \%:#
} ; j!lAxlOX
} ; ':!3jZP"m
yV J dZ I
G%7 4v|cd
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait S(>@:`=
})o~E
下面我们来剥离functor中的operator() d1~_?V'r]
首先operator里面的代码全是下面的形式: "w*+v
<