一. 什么是Lambda Z~
q="CA4
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 =v !8i
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, S2I{?y&K
>r:z`^p
4[r:DM|8
bA"*^"^
class filler 7'.6/U
{ #)DDQ?D
public : A9HgABhax
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} eZpi+BRS6
} ; r_^]5C\
OJ\j6owA
`+(JwQC4
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: EffU-=?%!
Hg]iZ,8?
%E":Wv
!q+
%]k?x
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); KmF+3g~#s
pR:cn kVF
z\J#d 1e
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 &C/,~pJ1S
gepYV}
yrMakT =
nzi)4"3O
二. 战前分析 :=`N2D
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。 =5p?4/4 J
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 <~5$<L4
"Bn]-o|r
vdulrnGqL
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [+dTd2uZ<\
/* --------------------------------------------- */ y5V]uQSD
vector < int *> vp( 10 ); oH
[-fF
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); g;nPF*(
/* --------------------------------------------- */ ?P2d
9b
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); `t#Ie*
/* --------------------------------------------- */ 4y9n,~Qgw
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); l0wvWv*k
/* --------------------------------------------- */ f;W>:`'
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); :e4[isI
/* --------------------------------------------- */ ps]s
Tw
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); J}&xS<
8+~|!)a
ZnB|vfL?
x6~`{N1N
M
看了之后,我们可以思考一些问题: / ='/R7~
1._1, _2是什么? z:tu_5w!,
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。 0'y3iar
2._1 = 1是在做什么? c:`&QDF
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。 9y"\]G77E
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。 ,OO0*%
kasx4m]^
_i&awm/U
三. 动工 OY#=s!]
M
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: S$fCO$bU
^sVB:?
F;dUqXUu
)x&}{k6 %
template < typename T > e0u*\b
class assignment $30lNZK1m8
{ uw&'=G6v
T value; @MGc_"b
public : g~=#8nJ
assignment( const T & v) : value(v) {} I'RhA\`
template < typename T2 > @Nt$B'+S&
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } #%tN2cFDN
} ; zFV?,"\r
?IV3"\5
bQ2 '*T
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 uYwJ[1C
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment A&QO]8
(}n,Ou[
jJCd2O]
Q2/ZO2
class holder E%C02sI
{ zpd Z.
public : \XlT
template < typename T > }Pe0zx.Ge
assignment < T > operator = ( const T & t) const {oN7I'>
{ i5 0^%,
return assignment < T > (t); 8MPXrc,9-
} as6YjE.Yy
} ;
fg1["{\
snyg
vSy#[9}
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: B?J#NFUb
U_c.Z{lC4
static holder _1; ]`Y;4XR
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 u($y<Q)=
K%A:W
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); hK&/A+*
而不用手动写一个函数对象。 R nf$
E7qk>~Dg
qTL]
miZ&9m
四. 问题分析 aE(j_`L78
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。 jDO[u!J6.%
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。 ']ussFaQ
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 n-n{+Dl!
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 vHPp$lql
下面我们可以对这几个问题进行分析。 p M:lg
X4U$#uI{
五. 问题1:一致性 E=Z.v
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?| bytAdS$3
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 |};P"&
{1V~`1(w
struct holder )xuvY3BPB?
{ QvH=<$
// Zg/ra1n
template < typename T > 'J&$L c
T & operator ()( const T & r) const P'6eK?
{ 4b B)t#
return (T & )r; B6iH[dTy_
} @m[r0i0J"
} ; 195m0'zda
N%\!eHxy
这样的话assignment也必须相应改动: 2\M^_x$N
aoh"<I%]>4
template < typename Left, typename Right > uMToVk`Uv
class assignment J
;=~QYn[
{ W7lR54%|
Left l; /MB3w m
Right r; O!(M:.
public : Ph'P<h:V
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} }Zue?!KQ
template < typename T2 > I|*w?i*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } emo@&6*
} ; +KV`+zic+
J?~El&
同时,holder的operator=也需要改动: i5sNCt
l* =\0
template < typename T > i[_WO2
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const C$~2FTx
{ >'^Tp7\
return assignment < holder, T > ( * this , t); Uv~r]P)
} Y9)uy 8c
%OeA"#
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 <0r2m4z
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 w NlC2is
mjDaus59
return l(rhs) = r; |?=K'[5
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 lr:rQw9
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 0Z{f!MOh
B\,pbOE?#
template < typename Tp > .mzy?!w0q
class constant_t P5Y:c@u2
{ gwj+~vSfi
const Tp t; >TT4;p h
public : xt7ZrT
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} /G`'9cD
template < typename T > 3,2|8Q,((!
const Tp & operator ()( const T & r) const E({W`b~_f
{ <
`r+ZyM
return t; =ILE/pC-|
} *"\QR>n
} ; X\:;A {
r5kKNyJ
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 x w8
e
下面就可以修改holder的operator=了 owDp?Sy}E
bhqBFiuhH
template < typename T > |kPjjVGF{
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const '%.:97
{ N^\<y7x
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); ,Q8[Ur?G
} |'B-^? ;
hSQuML
同时也要修改assignment的operator() #)&kF+
x{_:B
DY
template < typename T2 > Ib(q9!L
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } +>b~nK>M
现在代码看起来就很一致了。 DlHt#Ob7
[ZC{eg+D
六. 问题2:链式操作 v803@9@
现在让我们来看看如何处理链式操作。 WZ\bm$
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。 A
dNQS
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。 lxIoP
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。 s9R#rwIc
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct J!40`8i
9K]Li\
template < typename T > *E*=
;BG
struct result_1 'aYUF&GG
{ V\$'3(*
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; [Yr}:B
<
} ; Wt|IKCx
By&T59
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: 'MLp*3djF,
Y.XNA]|
template < typename T > 37OU
struct ref }H^h~E
{ h0m+u}oP_H
typedef T & reference; z'=8U@P'#
} ; lyY\P6
X
template < typename T > e[<vVe!
struct ref < T &> B 2p/
{ gD}lDK6N
typedef T & reference; .
V5Pr}"y
} ; <'n'>@
)ry7a
.39b
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: US5 ]@!
"DN0|%`M/
template < typename T > #0HZ"n
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const d 8YP<"V&
{ ,X+LJe$
return l(t) = r(t); _yH{LUIj
} =E6ND8l@2
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。 ]Sj<1tx7f
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 M]c"4b;
c`S`.WID
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 X:N`x
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: WP*xu-(:
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 /\L-y,>X
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 6pJFrWe{
最后的布局是: JXFPN|
Add >A5*=@7bY?
/ \ 0R2KI,WI
Divide 5 WC&V9Yk
/ \ <{ZDD]UGs0
_1 3 ltQo_k
似乎一切都解决了?不。 i}u,_
}
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。 (AYzN3
?D
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。 l k~VvRq
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: &>nB@SQZ
I/2{I
template < typename Right > 55Pe&V1=
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const P 2-^j)
Right & rt) const Dq07Z^#'
{ F,dPmR
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); h^QLvOuR
} 6zyxGJ(
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ]A?(OA
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,r72>|
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。 FIMM\W
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。 +56N}MAs
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。 -!@]z2uU
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? p!oO}gE
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: 0P_=Oy"l-
/penB[1i
template < class Action > NL^;C3u
class picker : public Action kAV4V;ydh
{ 53X i)
public : u~O9"-m !V
picker( const Action & act) : Action(act) {} ;AH8/M B9
// all the operator overloaded .-Z=Aa>
} ; ZVX1@p
B4
k5IS
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。 *A&A V||q
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: PF+ F^;C
wI5(`_l{G
template < typename Right > ahh&h1q7|
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 3<XP/c";
{ b6%[?k
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); vRhI:E)So#
} SO|!x}GfI
9q/k,g
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > fw&cv9X(IU
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。 5'<J@3B
I]@QhCm0
template < typename T > struct picker_maker "lVbla4b
{
.u3;
typedef picker < constant_t < T > > result; po! [Nd&"
} ; *w#^`yeo
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > tf3R
{ /KTWBcs 7
typedef picker < T > result; d[F3"b%
} ; c)j60y
1b=,lm
下面总的结构就有了: 49o /S2b4z
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。 ul-O3]\'@
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。 /$\N_`bM
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 P7 h^!a/
至此链式操作完美实现。 6:Hd `
%zKTrsMZ
+xL' LCx
七. 问题3 u<U8LR=)V5
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 !#Pr'm/,mu
{EjzJr>
template < typename T1, typename T2 > x%yzhIRR
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 6vfut$)[{
{ Y1wH_!%b
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); %ONU0xtq k
} J4]tT pu"K
!59,<N1Iu
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: Q<Q?#v7NX
0 wjL=]X1e
template < typename T1, typename T2 > eemC;JV %
struct result_2 mIe 5{.m#
{ dDbH+kqO
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; **CGkL
} ; 03n+kh
{^.q6,l
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? r,<p#4(>_
这个差事就留给了holder自己。 W5uC5C*,l
bXz*g`=;
);/p[Fd2]
template < int Order > `l'Ine11
class holder; *x/H
template <> +ovT?CMo
class holder < 1 > R('\i/fy
{ 'kSm}}y
public : s-4qK(ml-
template < typename T > >l b9 j>
struct result_1 W%1/:_
{ y&A&d-
typedef T & result; '5lwlF
} ; 0Of6$`
template < typename T1, typename T2 > C';Dc4j
struct result_2 2c'<rkA
{ *&z!y/
typedef T1 & result; RGLJaEl !
} ; s$kvLy<
template < typename T > SN 4JX
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const -C2[ZP-
{ +V9 (4la
return (T & )r; 4nXemU=
} 'Yaq; mDY
template < typename T1, typename T2 > V$_.&S?(Y
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const X"V)oC
{ q8)wAl
return (T1 & )r1; o]eG+i6g]
} C{G;G@/7
} ; Byh!Snoe
dG!) <
template <> E&ReQgBft
class holder < 2 > -nZDFC8y$
{ `k7X|
public : eF(oHn,
template < typename T > `[&%fTW+
struct result_1 Z kBWVZb
{ 50dx[v8
typedef T & result; pQxv_4
} ; Ml,in49
template < typename T1, typename T2 > sD9OV6^{?K
struct result_2 g^{a;=
{ )m
Ii.
typedef T2 & result; ,va2:V
} ; ~uG/F?= Q:
template < typename T > Rw<O%i5/d
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .7+"KP:
{ '(zP;
return (T & )r; ?jsgBol
} JF'<""
template < typename T1, typename T2 > PB) vE
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const E_0i9
{ ~i]4~bkH2
return (T2 & )r2; sw50lId
} YlXqj\a
} ; tlYB'8bJY
N+vsQ!Qz
z2jS(N?J1
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> >。 xx G>Leml
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: "g/UpnH
首先 assignment::operator(int, int)被调用: K."W/A!
./<giTR:p
return l(i, j) = r(i, j); NAO0b5-h
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) +1a2Un
5'[yw:P-8
return ( int & )i; I/zI\PP,
return ( int & )j; #@F
最后执行i = j; RLO<5L
可见,参数被正确的选择了。 @cQ
|`
1I%niQv5t
L+lX$k
%r@:7/
O4!!*0(+91
八. 中期总结 PB#EU9
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: W]D+[mpgK
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 vvLzUxV
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。
`ghNS
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor !>WW(n07Ma
H {uR+&<
eI@G B
P!!:p2fo
JHuA}f{2&
r@Xh8
r;
九. 简化 ;+n25_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。 S-79uo
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 !N/?b^y
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: 0IQ|`C.
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 KcM+8W\
+-*/&|^等 XUK%O8N#9
2. 返回引用。 =kw6<!R
=,各种复合赋值等 ;I>77gi`]
3. 返回固定类型。 d 1 O+qS
各种逻辑/比较操作符(返回bool) :eBp`dmn
4. 原样返回。 \wp8kSzC
operator, UdFYG^i
5. 返回解引用的类型。 p]6/1&t