一. 什么是Lambda @O @|M'
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 dpc=yXg>"c
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, 3rXL0&3w%
p ] $
2vW,.]95M
BIb{<tG^N
class filler nU">> 1!U
{ he#Tr'j
public : @; j0c_^"!
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} W~W?<%@
} ; `*uuB;
sKE*AGFLd
nvUkbmZG#
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: 8WLh]MD`
S+e-b'++?
'%JMnU
lHj7O&+
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); BT*K,p
hQW#a]]V:
HzO0K=Z=R0
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 -mWw.SfEZ
K{[Fa,]'
`6l24_eKf
`5~o=g
二. 战前分析 QdG?"Bdt2
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。 RIVN>G[;L
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 DrVbx
hc4`'r;
A=2nj
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); N;Gf,pE
/* --------------------------------------------- */ L>R!A3G1
vector < int *> vp( 10 ); !Z9ikn4A
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 0I AaPz/e
/* --------------------------------------------- */ D4x'
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); S)AE
/* --------------------------------------------- */ qLktMp_
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); e\bF_
N2VA
/* --------------------------------------------- */ ^_#gIT\
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Lu$:,^ C
/* --------------------------------------------- */ 4j=@}!TBt
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); K+aJ`V
? _h#>
a!6OE"?QQ
neMe<jr
看了之后,我们可以思考一些问题: =S?-=jPtg
1._1, _2是什么? HpgN$$\@
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。 Gm?"7R.
2._1 = 1是在做什么? oY#XWe8Om
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。 `S!uj <-
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。 3T#3<gqM[
0a;FX0S&
y`P7LC
三. 动工 F@*r%[S/
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: #| e5
h"%,eW|^
zYl+BM-j,6
L[9+xK^g
template < typename T > z%-"'Y]
class assignment
fVe-esAw
{ $F'~^2
T value; C@:N5},]
public : =GS_ G;Dz
assignment( const T & v) : value(v) {} 7Bb@9M?i
template < typename T2 > LAjw!QB
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } <8}9s9Nk
} ; a*ixs'MJ
_:z;j{@4
:.o0<
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 !"qEB2r
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment hCx#H eh
peP:5WB
^K@GK
er}'}n`@q
class holder |HIA[.q
{ l~>rpG
public : o0v m?CL#
template < typename T > ,PtR^" Mf4
assignment < T > operator = ( const T & t) const cN(QTbyl6Q
{ y"n~ET}e7
return assignment < T > (t); f#JF5>o
} <L[)P{jn?p
} ; e&I.kC"j6
.
*+7xL
"PM:&v
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: J-,X0v"
A=>6$L];'
static holder _1; ku8Z;ONeH
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 &]A1 _dy
nFOG=>c}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); m<;" 1<k
而不用手动写一个函数对象。 iw6M3g#
JQv
ZTwSI
1;sAt;/W8
h!3Z%M
四. 问题分析 v*p)"J *
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。 8TM=AV
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。 y")>"8H
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 w4/)r-Z4I
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 r]vBr^kq
下面我们可以对这几个问题进行分析。 DD3yl\#,
0iq$bT|
五. 问题1:一致性 ~w%+y
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?| O-m}P
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 3m9E2R,
z?g4^0e
struct holder k3eN;3#&
{ ^Rh ~+
// '4S@:.D`
template < typename T > 0([jD25J!
T & operator ()( const T & r) const T"lqPbK
{ &cejy>K
return (T & )r; ~DS9{Y
} $G.|5sEk
} ; atnbM:t
%5w) }|fw
这样的话assignment也必须相应改动: *m/u 3.\
R9HS%O6b6
template < typename Left, typename Right > D*b|(Oi
class assignment +OP' /
{ TW?
MS em
Left l;
$VNn`0^gF
Right r; oMf h|B
public : JH,+F
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 8hV:bz"
template < typename T2 > &~i
&~AJ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } W u{nC
} ; kKO]q#9sO
7guxkN#
同时,holder的operator=也需要改动: msJn;(Pn
b8Sl3F?-~
template < typename T > g#NUo/
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const T!$HVHh&,}
{ !9Ni[8&Fg0
return assignment < holder, T > ( * this , t); &WS%sE{p_
} p8bTR!rvz
-I<`!kH*
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。 l0)6[yXK
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 C*zdHzMj
I#%-A
return l(rhs) = r; cViCWc2
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。 epe}^Pl
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: oZw#Nd
(CwaOm{g
template < typename Tp > 8=VX` X
class constant_t ;bmd<1
{ W;yZ$k#q}(
const Tp t; o$;x[US
public : P40eK0e6
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} \`&fr+x
template < typename T > rZ7 Ihof
const Tp & operator ()( const T & r) const ->UrWW^
{ T!r7RS
return t; ^\;5O(9
} s6IuM )x
} ; "Y6mM_flq
B(U`Zd
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 \v_(*
下面就可以修改holder的operator=了 (6b%;2k
C7:Ry)8'I
template < typename T > z9ZAY!Zhq]
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const =<icHt6s
{ S{06bLXU"
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); n9yxZu
} (Nf.a4O
)kUw,F=6
同时也要修改assignment的operator() x~.U,,1
lw{|~m5`
template < typename T2 >
-fv.ByyA
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } C_/oORvK
现在代码看起来就很一致了。 *bK@ A2`
wH.'EC
六. 问题2:链式操作 X"sN~Q.0
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ?aui q
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。 J0k~%
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。 #SmWF|/
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。 t+tGN\q
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct r` @Dgo}
2I
template < typename T > Pa*yo:U'h
struct result_1 l/5/|UE9
{ ]Yy
Sf
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; N C&1l]
} ; idq= US
TV}SKvu
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: j(rFORT
bPEAG=l "-
template < typename T > J.*=7zmw
struct ref C/JFg-r
{ *!/9?M{p
typedef T & reference; ur|2FS7
} ; r BL)ct
template < typename T > _\6-]
struct ref < T &> 0;9LIL5
{ bYz:gbs]4|
typedef T & reference; Z,z^[Jz
} ; sYL+;(#t
Tr8+E;;
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: [3s~Z8
pP
&1&*(oi]X
template < typename T > Wd7*sa3T
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const RK,~mXA
{ 4d#W[
return l(t) = r(t); Ez)Go6Q
} Ugn"w E
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。 q/Q*1
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 lyyi?/W%
? DPL7
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 pd|s7
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: y~\z_') <>
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 nm)F tX|A
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 \<5xf<{
最后的布局是: l}m@9 ~oC
Add C$P3&k#W
/ \ {MHr]A}X\
Divide 5 J-U}iU|
/ \ lr1i DwZV
_1 3 0wx`y$~R
似乎一切都解决了?不。 a^22H
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。 g
{00i
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。 o,29C7Ii
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: vm(% u!_P
"m!Cl-+u
template < typename Right > js{ RaR=
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Nz m
7E]
Right & rt) const `0L!F"W
{ 'b-}KDP
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); de"*<+
} J~==<?j:
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 3h4>edM
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。 VL\6U05Z
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。 BUtXHD
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。 z2r{AQ.&
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。 LB>!%Vx
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? ?g!)[p`v
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: hE>Mo$Q(
+;vfn>^!b
template < class Action > -G{}8GM
class picker : public Action 3N;X|pa
{ FsD}Nk=m~
public : pBHr{/\5
picker( const Action & act) : Action(act) {} oM< 9]jK}
// all the operator overloaded 3o z]
} ; >]Y`-*vw&
#SO9e.yhI
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 NbSwn}e_
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: d8av`m
myH#.$=A
template < typename Right > t/HE@xPxI5
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 0%v
p'v
{ <CeDIX t
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); daaurT
} 'l2`05
P>:"\I[
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ibEQ5 2
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。 0rF{"HM~
I"r*p?
template < typename T > struct picker_maker p!173y,nL
{ hMdsR,Iq
typedef picker < constant_t < T > > result; k
kY*OA
} ; )wmXicURC
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > &Jq?tnNd
{ ;+cZS=
typedef picker < T > result; o: qB#8X
} ; _Nlx)Y R
|NL$? %I
下面总的结构就有了: ZVViu4]?y
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 9^XT,2Wwf
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 hmQD-E{Ab
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 7R ;!
至此链式操作完美实现。 V*LpO8=
O]`CSTv'_
T~_+\w
七. 问题3 Sa6}xe."M,
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 yo3'\I
m;k' j@:
template < typename T1, typename T2 > //g~1(
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Sky!ZN'I
{ S'lZ'H /
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); L=?Yc*vg
} ~#N^@a
1Sr@$+VGO
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: [.;VCk)0x
%\2
ll=p1
template < typename T1, typename T2 > %3|0_
struct result_2 u+kXJ
{ ',v
-&1R
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Kb#py6
} ; >^{}Hjt
bR(rZu5
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? X*/jna"*
这个差事就留给了holder自己。 N.l+9L0b
[YLaRr
}PUQvIGZZ&
template < int Order > 8 W79
class holder; ULNU'6
template <> ,)[u<&
class holder < 1 > p$0G EYwM
{ ez@`&cJ7
public : P?\ IlziCB
template < typename T > 'D;v>r
struct result_1 n>"0y^v
{ Vr+X!DeY
typedef T & result; S=*rWh8)%<
} ; lQ
{k
template < typename T1, typename T2 > YAYPof~A$l
struct result_2 T8bk \\Od
{ kl,I.2-
typedef T1 & result; V>>"nf,YO
} ; |Ah'KpL8W
template < typename T > L'iENZI$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const %wzDBsX
{ SxI='z_S.f
return (T & )r; $WED]X@X!
} ph
qx<N@
template < typename T1, typename T2 > rVB,[4N
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const JR] /\(
{ d"`/P?nx
return (T1 & )r1; &@p _g8r#
} z~\a]MB
} ; ^cs:S-s
4jbqV
template <> I]+xerVd
class holder < 2 > -.<fGhmU
{ VRV*\*~$
public : 6[b'60CuZL
template < typename T > .0+=#G>
struct result_1 -}#=L@
{ ]/g&y5RG
typedef T & result; #;~`+[y?\
} ; HqC
1Dkw
template < typename T1, typename T2 > Aj#bhv
struct result_2 Jmg<mjq/G
{ q#s:2#=
typedef T2 & result; &B?TX.
} ; @`t#Bi9
template < typename T > G%5bQ|O
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const tQ~vLPi$
{ WRrCrXP
return (T & )r; @pq2Z^SQ H
} y.vYT{^
template < typename T1, typename T2 > t~_vzG
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const i82sMN1jl7
{ JV_VF'
return (T2 & )r2; oE/g)m%
} Ad7N'1O
} ; X%JQ_Z
\"k[y+O],4
r:N =?X`N
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> >。 v<0\+}T1R
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: eV(nexE
首先 assignment::operator(int, int)被调用: b^s978qn#
}OZut!_
return l(i, j) = r(i, j); nUb0R~wr$G
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ;|yd}q=p
j}s<Pn%4
return ( int & )i; skaPC#u
return ( int & )j; AUk-[i
最后执行i = j; B|I9Ex~L
可见,参数被正确的选择了。 +|0f7RB+R
pzr\<U`
2bv/-^
oz8z%*9(
!V.2~V[^M
八. 中期总结 ?58,Ja
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: <[l0zE5Z8'
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 6&9}M Oc
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 yj$a0Rgkv
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor &[yW}uV<7
t_xO-fT)
v79k{<Ln
WNnB
s
\|@u)n_
)t#>fnN
九. 简化 -tPia=^
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。 Ty&Ok*
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 @"h@4q/W
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: C(Cuk4K
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 wjzR 8g0bQ
+-*/&|^等 pLdZB9oD]C
2. 返回引用。 OK] _.v}
=,各种复合赋值等 kO3N.t@n
3. 返回固定类型。 6lAHB*`
各种逻辑/比较操作符(返回bool) !+EE*-c1c
4. 原样返回。 l/i7<