一. 什么是Lambda l>jNBxB|/A
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 V5HK6- T
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, >iI-Cs7TD
$2pkh%
(K|7T{B
rW0-XLbL5H
class filler |jTRIMj%,_
{ : ]~G9]R`
public : ~myY-nEY
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ^1,VvLA+
} ; HO9w"){d$
c`_[q{(^m
9g`o+U{
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: di]TS9&9
UrEfFtH'
~k'SP(6#C
K0]42K
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); X_2pC|C
[,/~*L;7
MPD<MaW$
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 6~c:FsZ)
>K-S&Y
BDz7$k]
)lrmP(C*.a
二. 战前分析 .h[yw$z6
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。 cMp#_\B
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 Dt=@OZW
B6xM#)
}*s`R;B|,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); V3<H8pL
/* --------------------------------------------- */ 'j(F=9)
vector < int *> vp( 10 ); 1paLxR5
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); T?HW=v_a
/* --------------------------------------------- */ q1?}G5a?
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); /Xk-xg+U
/* --------------------------------------------- */ qvG@kuz8g5
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); (rm*KD"]
/* --------------------------------------------- */ szC<ht?z
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); :kQydCuK
/* --------------------------------------------- */ XDohfa_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); iR]K!j2
~EtwX YkRZ
v8f1o$R
O QGKH6q
看了之后,我们可以思考一些问题: +o-jMvK9
1._1, _2是什么? @A'@%Zv-
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 E.eUd4XG
2._1 = 1是在做什么? qV79bK
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 g+A>Bl3#
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 B;e (5y-
Yhte&,D"
f9D01R fo
三. 动工 +h08uo5c
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: dVe,;?+A
,0a\Ka{^
GRh430V[
T:Nc^QP|tm
template < typename T > Z7XFG&@6
class assignment !|Wf
mU
{ D$N;Qb
T value; o$Ju\(Y$<+
public : ! k 1 Ge+
assignment( const T & v) : value(v) {} h:RP/0E
template < typename T2 > \@[,UZ
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } jn(%v]
} ; k!Q{u2
{
:1XN
em'ADRxG+
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Q;J(
5;
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 1X&.po
5dB62dqN
GX0zirz
_&/ {A|n
class holder mf)+ 5On
{ N!Rt040.%
public : .p, VZ9
template < typename T > 9 @xl{S-
assignment < T > operator = ( const T & t) const |?ssHW
{ !~yBzH;K
return assignment < T > (t); (6Od
} ^:]$m;v]
} ; a5GLbanF
31@Lr[!
F,{mF2U*$
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: P/girce0
9&5<ZC-D
static holder _1; kQ}n~Hn
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 avL_>7q
&8z<~q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4G?^#+|^
而不用手动写一个函数对象。 :#pdyJQ_
`}$o<CJ
yB2h/~+
>
'hM"4f
四. 问题分析 *Bq}.Yn
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。 C=/B\G/.9
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。 <"J]u@|
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 k(l2`I4V
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 `daqzn
下面我们可以对这几个问题进行分析。 :Iv;%a0 -
"(^XZAU#W
五. 问题1:一致性 $+!dP{
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| S@FO&o 0
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 {O^u^a\m
La;G S
struct holder #_@cI(P
{ &)%+DUV|
// 3}0\W.jH
template < typename T > o)AwM"
T & operator ()( const T & r) const *h!fqT%9
{ (~=.[Y
return (T & )r; ,vJt!}}
} Nr4:Gih
} ; 4hL%J=0:
mll:rWC)
这样的话assignment也必须相应改动: ;uUFgDi
=?<WCR
C*
template < typename Left, typename Right > ,^UqE{
class assignment |h>PUt@LL
{ cz>,sz~i
Left l; G*fo9eu5$
Right r; mL{P4a 1xf
public : WQK<z!W5
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} >='/%Ad
template < typename T2 > jT{T#_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } J7+G"_)'
} ; 5p;AON
94u{k1d x
同时,holder的operator=也需要改动: KP&+fDa
n~N>;mP
template < typename T > t]yxLl\
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ?"6Zf LRi
{ xM*_1+<dT$
return assignment < holder, T > ( * this , t); ,XD"
p1(|G
} Kc MzY
nw+~:c
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。 lvs
XL
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 3Vb4zZsl
22`^Rsb,6L
return l(rhs) = r; I{Zb/}k-
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。 rf.pT+g.P
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: :t}\%%EbmE
_C?j\Wy
template < typename Tp > QQ*sjK.(
class constant_t oaY_6
{ jjs/6sSRk
const Tp t; n
~t{]if"
public : XH%L]
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} bjZJP\6
template < typename T > ~wvt:E,fC
const Tp & operator ()( const T & r) const LD$5KaOW
{ 2;}leZ@U
return t; (!~cOx
} w+M/VsL
} ; YB#fAU
8Sbz)X
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 mzgt>Qtkz=
下面就可以修改holder的operator=了 VF%QM;I[Rc
vB:\ZX4
template < typename T > ,+=9Rp`md
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Y-VDi.]W
{ W^(zP/
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); !b8V&<
} !8{VLg
fPR_3qgQ
同时也要修改assignment的operator() (jc@8@Wo.
( }-*irSsj
template < typename T2 > vygzL U^
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 2qMiX|Y
现在代码看起来就很一致了。 asWk]jjMG
.<x6U*)\O
六. 问题2:链式操作 /K=OsMl2b8
现在让我们来看看如何处理链式操作。 >O'\
jp}$l
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。 d&AG~,&d|
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。 6h 0qtXn-
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。 OO:S2-]Y>e
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct a:FU- ^B4~
N*Y[[N(
template < typename T > iw@rW5%'~
struct result_1 $)lkiA&;
{ .OPknC
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; TdhfX {nk
} ; 2Q^q$@L
"1O_h6C
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: n,N->t$i
i3-5~@M
template < typename T > 2)}n"ibbT
struct ref Q*DT" W/0
{ m\:^9A4HCg
typedef T & reference; MZgaQU g
} ; ]RVu[k8
template < typename T > r,5e/X
struct ref < T &> Mz@{_*2
{ iZGbNN
typedef T & reference; u 3WU0Z`
} ; {X!vb
eG=d)`.JaV
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: P,v7twc0M
5Xq+lLW>
template < typename T > 2/-m-5A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const B=SA
+{o
{ corm'AJ/
return l(t) = r(t); |J$A%27
} xUJ(tG3
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。 (zhZ}C,VF
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 vNO&0~
2&6D`{"P
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 pb!2G/,.[
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: >a;a8EA<O
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象
f<o|5r
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 35h|?eN_m!
最后的布局是: `?VK(<w0q
Add z)Rkd0/X
/ \ %bcf% 7
Divide 5 P`tOL#UeZL
/ \ H_xHoCLI
_1 3 D#GuF~-F!R
似乎一切都解决了?不。 g#S
X$k-O
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 E|=x+M1sH
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 gS(3 m_
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: CL<-3y*
GSA+A7sZ
template < typename Right > -Jv,#Z3
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const [R]V4Hb
Right & rt) const rO87V!Cj
{ rwWOhD)RU
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); :Drf]D(sMX
} P~7(x7/7~
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 0\mf1{$"!7
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。 _Sjj|j
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。 vfSPgUB)
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。 [Rj4=qq=
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。 | W@ ~mrO
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? N"9^A^w8k
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: tI^91I
f6r!3y
template < class Action > a1,)1y~
class picker : public Action
?K-4T
{ PKlR_#EB?
public : .ATpwFal
picker( const Action & act) : Action(act) {} 3.movkj
// all the operator overloaded ]&D dy&V
} ; C eEhe
7mtx^
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。 "P7OD^(x/
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: 9Og
:7{GOx
template < typename Right > |5>Tf6$(
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const g?
vz\_
{ jV%
VN
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4s{=/,f
} F=\
REq
r1~W(r.x
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `.@udfog^0
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 uQG|r)
EH".ki=e
template < typename T > struct picker_maker S @[]znH
{ %
J\G[dl
typedef picker < constant_t < T > > result; S{llpp{E
} ; 1
-Z&/3T]
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ?0)K[Kd'Y
{ 4(8c L?J`0
typedef picker < T > result; UDHOcb
} ; nw+t!C
Sr+hB>{
下面总的结构就有了: =1 Plu5
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 vhMoCLb
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 nscnG5'{+
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 5,xPB5pK
至此链式操作完美实现。 +B{u,xgg
oVK?lQ~y
)[eTZg
七. 问题3 _J*l,]}S
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 Zx8$M5
OX,em Ti
template < typename T1, typename T2 > WOPIF~1v
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const , S^y>
{ I(UK9H{0$
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Q``1^E'
} hq"nRH
rzdQLan
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: qFVZhBC
Vc0j)3
template < typename T1, typename T2 > 1<:5b%^c
struct result_2 &wQ<sVQ0$
{ V 2Xv)
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Dx\~#$S!=
} ; f0eQq;D$K
,t_&tbf3
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? tOXyle~C
这个差事就留给了holder自己。 Ew4D';&;
9z?c0W5x
rvx2{1}I
template < int Order > 'oz$uvX
class holder; !bzWgD7j
template <> 5NkF_&S_1
class holder < 1 > MoxWnJy}
{ 8K^#$,.."
public : xlcCL?qQj
template < typename T > -qpvVLR,
struct result_1 ;0Uat
{ N[9o6Nl|a
typedef T & result; Ri"rT] '
} ; j7d^ga-`
template < typename T1, typename T2 > xJ#O|7N
struct result_2 5X8 i=M;
{ ]G&[P8hzB
typedef T1 & result; 'h ?
} ; b+Sj\3fX
template < typename T > ql%K+4@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const C!_=L?QT^
{ eG+$~\%Fub
return (T & )r; O-0 5.
} S#CaJ}M
template < typename T1, typename T2 > ^?|4<Rm
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Vuy%7H
{ t(<k4 ji,
return (T1 & )r1; /?BTET
} IUAe6
} ; qAp<OJ
,aWI&ve6
template <> p v4#`.m
class holder < 2 > t.&JPTK-H
{ D=LsoASVI
public : S^q^=q0F
template < typename T > Z$i?p;HnW
struct result_1 n=f?Q=h\3
{ "4KyJ;RA*
typedef T & result; Na]ITCVR
} ; `?^<r%*F.
template < typename T1, typename T2 > p%Q{Rqc)
struct result_2 8/B8yY-O
{ qi^kf
typedef T2 & result; 5T"h7^}e
} ; -5os0G80
template < typename T > Ur[ai6LNG
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const c.Izm+9k
{ {OQ)Np!
return (T & )r; ^-Ks_4
} AN,3[Sh
template < typename T1, typename T2 > s!W{ru
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const {y|.y~vW
{ f% 8n?f3;u
return (T2 & )r2; Dd
OK&
} J;V#a=I
} ; \{(cz/]G/
sw$JY}Q8x
MB5V$toC
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> >。 >!PM5%G
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: mE+=H]`.p
首先 assignment::operator(int, int)被调用: PMiu "
?mi}S${g
return l(i, j) = r(i, j); $v8T%'p+
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 3]NKAPY
1)e[F#|
return ( int & )i; lq1223
return ( int & )j; V1i^#;
最后执行i = j; Dir# [j
可见,参数被正确的选择了。 "<L9-vb
gjJ:s,Fg
+pv..\
i'ZnU55=
u9 *ic~Nh
八. 中期总结 G=Xas"|
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: 5a5JOl$8
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 4X:mb}(
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 YYe<StyH
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor AgDXpaq
7 }t=Lx(
wlwgYAD
\*fXPJ4
SbtZhg=S_
%Zeb#//Jz
九. 简化 <0/)v
J-
9
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 V+u0J"/8
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。
8`<3rj
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: bHDZ=Ik
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 ZSwhI@|
+-*/&|^等 25vq#sS]
2. 返回引用。 m9 'bDyyK
=,各种复合赋值等 ;F2"gTQS
3. 返回固定类型。 7&dF=/:X@
各种逻辑/比较操作符(返回bool) eH;{Ln
4. 原样返回。 C]zG@O!
operator, h-03]M#8=
5. 返回解引用的类型。 pfMmDl5|
operator*(单目) N]I::
6. 返回地址。 Vvn~G.&)
operator&(单目) <P5 7s+JK
7. 下表访问返回类型。 I0bkc3
operator[] ~:b5UIAk
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 CT.hBz
-S
operator<<和operator>> o3'Za'N.
}dq)d.c
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 Q2gz\N
例如针对第一条,我们实现一个policy类: qz-lQ
pW<l9W
template < typename Left > EP{ji"/7[
struct value_return q) e*eN
{ ) Cm95,Y
template < typename T > {ZUgyGE{
struct result_1 7%|HtBXv^
{ X-yS9E
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; fHF*#
} ; u~'j?K.^
G Mg|#DV
template < typename T1, typename T2 > JGlp7wro
struct result_2 . N5$s2t
{ SQdK`]4
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; FdxV#.BE
} ; bL%-9BG
} ; "6WE6zq
&