一. 什么是Lambda Uy.ihh$I-
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 D &@Iuo
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, uQ&> Wk
S{3c}>n
z4~p(tl
7<Qmpcp =
class filler wFMw&=j
{ 4*D"*kR;
public : 'F#dv[N
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} V/:2xT
} ; 9 r&JsCc
];jp)P2o
O"/Sv'|H#
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: IT)3Et@Y
,p#r; O<O
o@7U4#E
c%bzrYQvA;
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); !Qf*d;wxn(
a4gX@&it_k
ksCF"o/@V
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 HOF=qE*p
=LODX29
I!Z"X&
i(OeE"YA
二. 战前分析 #@xB ?u-0q
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。 G%,
RD}D
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 z[ 'G"yCi
$PI9vyS
2wDDVUwy B
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); + ~5P7dh6
/* --------------------------------------------- */ nI&p.i6
vector < int *> vp( 10 ); OScqf]H
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); s2GF*{
/* --------------------------------------------- */ (KwC,0p
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); aL`wz !
/* --------------------------------------------- */ "<{|ni}
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ,p OGT71
/* --------------------------------------------- */ TVx
`&C+
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); "wuO[c&%/
/* --------------------------------------------- */ jd,i=P%
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); %q~q,=H$]
fm`V 2'Rm
+iFt)
|
oK9o6m4
看了之后,我们可以思考一些问题: ~;a\S3
1._1, _2是什么? HsUh5;
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。 @K+gh#
2._1 = 1是在做什么? .)_2AoT7[
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。 ~#jiX6<I
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。 7Xu# |k
xb<|m2<)H
1DhC,)+D}q
三. 动工 d6ef)mw
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: vV*J;%MO
)XGz#C_P
Lt=32SvTn
q\x.e.@
template < typename T > Rw%?@X3m]
class assignment #{{p4/:
{ u '/)l}
T value; O,|NOz
public : aK95&Jyw&
assignment( const T & v) : value(v) {} hc+B+-,
template < typename T2 > N%xCyZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ,ofE*Wt
} ; -egnMc67
DyCzRkH
R y#C#0
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ,z>-_HOnw
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment ZQ+DAX*MS
fZ5 UFq_~s
k&%i+5X
IQ~qiFCf
class holder 9#@s(s
{ bT&{8a
public : ` =P_ed%&'
template < typename T > R:YVmqd
assignment < T > operator = ( const T & t) const FZ?eX`,
{ BZHoRd{EH
return assignment < T > (t); Zfcf?&><
} i9XpP(mf
} ; Q,^/Lm|]k
kx?Yin8K
MO0NNVVi%U
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: `D
|/g;
77yYdil^W+
static holder _1; b<~-s sL7a
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 bTmhz
nEd
"~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ThgJ
'
而不用手动写一个函数对象。 G^#>HE|
W
h 9L!5
;"x+V gS'
S-88m/"]s
四. 问题分析 qbfX(`nS
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。 q%e'WM G~n
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。 (C#0
ML
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 >MN"87U6
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ?%UiW7}j';
下面我们可以对这几个问题进行分析。 JJ
?'<)EF
e4SS'0|
五. 问题1:一致性 xxvt<J
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?| 4S~kNp$
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 o]Ne|PEpO
Y;_F ,4H
struct holder rFpYlMct
{ @4T
// (k #xF"yI
template < typename T > #f24a?n|
T & operator ()( const T & r) const
T`fT[BaY
{ #eOHe4Vt
return (T & )r; ,^8':X"A{!
} \f?
K74
} ; `|?<KF164
<I34@;R c
这样的话assignment也必须相应改动: [B;okW
W j^@Zq#
template < typename Left, typename Right > /~w*)e)
class assignment r^}0qO,XM
{ B
os`+Y
Left l; .Iqqjk
Right r; {%u^O/M
public : j67ppt
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ah,f~.X_|
template < typename T2 > 'Xj^cX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } d=qVIpZ
} ; V&:x+swt
/qy6YF8;y
同时,holder的operator=也需要改动: m\XsU?SuX
!>> A@3
template < typename T > %K|f,w=m
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const M' z.d
{ L<@*6QH
return assignment < holder, T > ( * this , t);
5)'Y\~2
} ajk}&`Wj"
B2Y.1mXq
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。 O[t?*m1/
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 GkI'.
XdCP!iq*8
return l(rhs) = r; n({%|O<|
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。 b.RU%Y#>\
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: /Tm+&Jd
?[zw5fUDS
template < typename Tp > AF"7 _
class constant_t 6_KvS
{ UzaAL9k
const Tp t; TU^ZvAO&
public : 4z(B`t~7
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} xRacgny:I
template < typename T > \XV8t|*
const Tp & operator ()( const T & r) const FqA4 OU
{ %AA&n*m
return t; ]b%U9hmL^f
} }W}( k2r
} ; l $\2|D
v:4j3J$z
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 IxCesh
下面就可以修改holder的operator=了 d-1D:Hs?
Z3{1`"\<K
template < typename T > NT5=%X]
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const I*.nwV<
{ :Q("
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Ue9Y+'-x
} iKrk?B<
we`BqZV
同时也要修改assignment的operator() #W)m({}
?g4Rk9<!i
template < typename T2 > V /2NIh
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 9&f+I@K
现在代码看起来就很一致了。 CdRJ@Lf
S!u8JG1
六. 问题2:链式操作 6WZffB{-TK
现在让我们来看看如何处理链式操作。 -V6caVlg
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。 ca7Y+9<
;
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。 EQ~<NzRp=
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。 %50)?J=zB
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct K0j%\]\Tp
}8tF.QjR|
template < typename T > wW*7
struct result_1 7ihcjyXB
{ mTtaqo_Bh
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; s,#We} bv
} ; 9zqo!&
n46!H0mJ
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: H~s8M
<L4$f(2
template < typename T > IxuK<Oe:O
struct ref rIFW1`N}i
{ o!+%|V8Y
typedef T & reference; D(']k?
} ; 7nnF!9JOv
template < typename T > *:xOenI
struct ref < T &> 8]`#ax
5
{ |D-[M_T5
typedef T & reference; RR[zvH} E
} ; */IiL%g4u
T}^3 Re`i
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: ]$L5}pE3
1qNO$M
template < typename T > N gF7$@S
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const e7"T37
{ X$6NJ(2G
return l(t) = r(t); 2T+-[}*
} e,}h^^"
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。 `OMX 9i
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 b;jdk w|
$k0(iFzR1
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 H;\C7w|
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: q,)V0Ffe[|
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 a-|pSe*rx
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 k/{WlLN
最后的布局是: \7b, Mz!
Add gC2}?nq*
/ \ 3E;@.jD
Divide 5 KHZ[drb6$
/ \ .kU^)H"l
_1 3 (CIcM3|9C
似乎一切都解决了?不。 Wr b[\
?-
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。 iS+"Jsz
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。 .kFO@:
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: 7s6+I_n
Ed u(dZbKg
template < typename Right > {DP9^hg
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const sPZwA0%
Right & rt) const nC,QvV
{ Hj
r'C?[
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 1Zc=QJw@
} ^,I2@OS
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 'k\j[fk/K
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。 FhY#3-jH
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。 R&(OWF;~,
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。 WcqR; Nm
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。 $Ah
p4oiE
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? KJQ8Yhq
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: &Iy5@8
9pnOAM}
template < class Action > %Ve@DF8G
class picker : public Action FtyT:=Kpc
{ |#o' =whTl
public : VB*c1i
picker( const Action & act) : Action(act) {} }UsH#!9.
// all the operator overloaded %pq.fZI
} ; G?$o+Y'F
xP'0a
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。 Ty&1R?
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: YSGE@
_Sd^/jGpU
template < typename Right > ben-<3r
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const |OCiq|#
{ f> Jj5he/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); {7m2vv? Z
} h# 4n
{rMf/ RAE
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2{=D)aC$f
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 B1|nT?}J(
xK_UkB-$i
template < typename T > struct picker_maker PI%l
{ 9k71h`5
typedef picker < constant_t < T > > result; `{{6vb^g
} ; UZs '[pm)
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > cJ$jU{}
{ 9*s8%pL
typedef picker < T > result; |
CFG<]
} ; n~yHt/T
cy,6^d
下面总的结构就有了:
n(Nu
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 TfZ M0Wz
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 4_-&PZ,d
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 3LfF{ED@
至此链式操作完美实现。 Hb*Z_s
qc,E azmU
`&c[s%0
七. 问题3 XlF ,_
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 vaF1e:(
H.l0kBeG
template < typename T1, typename T2 > Q +l{> sL
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const (v?@evQ
{ E va&/o?P|
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); aB~k8]q.
} m,+PYq
=I'iD0eR
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: I>.pkf<V
"vybVWEE
template < typename T1, typename T2 > &M@ .d$<C
struct result_2 |GQq:MB;z
{ !b!An; ',
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; BTr
oe=R
} ; bTeuOpp
(ww4(
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? KB~[nZs7
这个差事就留给了holder自己。
'v Vt^h2
}\<=B%{
*3Lo[GE>
template < int Order > x/{-U05
class holder; -5og)ZGVUA
template <>
5:gpynE|
class holder < 1 > 2&S^\kf
{ qfT9g>EF
public : c}OveR$'&
template < typename T > [F*yh9%\
struct result_1 y]{b4e
{ ?yAb=zI1b
typedef T & result; A*0X~6W
} ; K3:z5j.X
template < typename T1, typename T2 > 4S4MQ
struct result_2 3"Oipt+
{ STu(I\9
typedef T1 & result; R-pON4D"*
} ; 1d49&-N
template < typename T > L>/$l(
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const SPb`Q"
{ g~21|Sa$[
return (T & )r; pSQ2wjps
} 5u9 lKno
template < typename T1, typename T2 > c(Y~5A{TXO
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const *j83E[(]
{ :1f,%Z$,q
return (T1 & )r1; 4IZAJqw(*
} ~ a2A"#f
} ; ]v:,<=S
%9zpPrWF
template <> DmgDhNXKq
class holder < 2 > lv]U)p
{ $Xo_8SX,
public : FP{=b/
template < typename T > MbYgGE,LA
struct result_1 4V[(RXc/
{ 4mW$+lzn
typedef T & result; ;FwUUKj
} ; pR0!bgC
template < typename T1, typename T2 > _^{RtP#=
struct result_2 )2E vZn
{ ;/Y#ph[
typedef T2 & result; <^;~8:0]
} ; -TH(Z(pB
template < typename T > B7C<;`5TiD
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 0K"+u9D^
{ L8.A|
return (T & )r; )$Ib6tYY
} ]Y$Wv9S6
template < typename T1, typename T2 > nO`[C=|
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ^WWr8-
{ s +S6'g--
return (T2 & )r2; W)Y-^i5
} of7'?]w
} ; &Pv$nMB$I
^K[xVB(&
]Y?ZUSCJ
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> >。 -|#/KKF
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: JK{2hr_a
首先 assignment::operator(int, int)被调用: hQ:wW}HWW
BHz_1+d
return l(i, j) = r(i, j); <au_ S\n
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) hUi5~;Q5Fi
c9uu4%KG6<
return ( int & )i; L1`^M
return ( int & )j; [Ti' X#
最后执行i = j; 3k_\xQ
可见,参数被正确的选择了。 ffB<qf)?G
oVUsI,8
qe1>UfY
,?K5/3ss
Vx[Q=raS
八. 中期总结 Z<C39s
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: jl;N
Fk%
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 l8Yr]oNkz
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 FLsJ<C~/~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor a]V#mF |{
`mZ1!I-T
5't9/8i
^|U5@u_
Wvd-be
dEf5x_TGm
九. 简化 ~nj+"d]
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。 ,{"K^
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ., thdqOO
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: vcy(!r
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 bjj
F{T
+-*/&|^等 Ub\&k[F
2. 返回引用。 +=L+35M
=,各种复合赋值等 9*"K+t:
3. 返回固定类型。 Q.8^F
各种逻辑/比较操作符(返回bool) mT j
4. 原样返回。 qncZpXw^
operator, us8ce+
5. 返回解引用的类型。 H-WNu+
operator*(单目) l) KN5V
6. 返回地址。 dj,lbUL
operator&(单目) 3uvl'1(%J
7. 下表访问返回类型。 rP6k}
operator[] geM`O|Np
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 )zP"Uuu
operator<<和operator>> L^s?EqLXS
RHu,t5,
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。 z&qOu8Jh
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Ra~:O\Z
;%>X+/.y0
template < typename Left > &