一. 什么是Lambda V/Q/Ujgg
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 gaWJzK
Yc_
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, w`_"R6
}!QVcu"+t/
?p&( Af)
:k Kdda<g#
class filler @MKf$O4K
{ a)QSq<2*
public : -8Q}*Z
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ~v6]6+
} ; i9eE/
.
]{ir^[A6
Cs'<;|r(
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: 821;; ]H
!,9;AMO
-
")Qhg-l
;5tQV%V^Q
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); (>C$8)v
N
oRPvFv
1O2jvt7M
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 Sb.%B^O
0b}.!k9
*h
M5pw
_)ZxD--Qg
二. 战前分析 5S
4Bz
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 VQ8Q=!]
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 4 u=v
2= zw!
,t
+sw4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ,}/6Za
/* --------------------------------------------- */ Gz:ell$
vector < int *> vp( 10 ); Slv91c&md,
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); c2wgJH!g
/* --------------------------------------------- */ `+!F#.
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); j:7AVnt
/* --------------------------------------------- */ u;9a/RI
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); c@Xb6 z_>
/* --------------------------------------------- */ heScIe
N^`
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); .oqe0$I
/* --------------------------------------------- */ s)G?5Gz
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); {ObUJ3
C#TP1~6
C."\ a_p
;:
0<(!^*
看了之后,我们可以思考一些问题: k:8NOx|s "
1._1, _2是什么? t"?)x&dS
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。 $]gflAe2
2._1 = 1是在做什么? <72q^w
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 (,D:6(R7t
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Xi0fX$-,
g(dReC
5'/ff=
三. 动工 ;)q"X>FMZe
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: -8yN6
0|
hv *XuT/
r7FpR!
"R]wPF5u
template < typename T > 1D1qOg"LE
class assignment fZb}-
{ ]GBlads
T value; V1yP{XT=
public : $|t={s34
assignment( const T & v) : value(v) {} hC?rHw
H>
template < typename T2 > %Ix2NdC
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } p8j*m~4B
} ; uC%mGZa
o37D~V;
0YAH[YF
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 dF><XZph
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment aKintb}n
|nBs(>b
U |Uc|6
\_x~lRqJJ
class holder 54#P
{
'Pxq>Os
public : CU:HTz=
template < typename T > g3f;JB
assignment < T > operator = ( const T & t) const QUDpAW
{ NAOCQDk{
return assignment < T > (t); 7^C&2k5G
} iN_P25Z<r
} ; /[!<rhY
QCO,f
{E0\mZ2
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: w?Pex]i{
uU=!e&3
static holder _1; Ygc|9}
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 K>TEt5
0\V)DV.i
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); e,MgR \F}
而不用手动写一个函数对象。 tX6_n%/L
qWJHb Dd
V''fmWo7
|g'ceG-
四. 问题分析 3H|drj:KV
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 ,(&Fb~r]
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 M 5$JB nN
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 I&`aGnr^^
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 GT\yjrCd
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ozKS<<
l,Fn_zO
五. 问题1:一致性 fL*+[v4
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?| }<zbx*!
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 +S WtHj7e
]Ljb&*IEj
struct holder Q\>mg*79
{ X#HH7V>
// nuVux5:
template < typename T > %y7ZcH'
T & operator ()( const T & r) const K0D|p$v
{ zB/VS_^^W:
return (T & )r; o]]sm}3N
} ) O&zb_{n
} ; q[9N4nj$<
r&IDTS#
这样的话assignment也必须相应改动: DP;:%L}
j+e~
tCcN/
template < typename Left, typename Right > t+K1ArQc
class assignment : ^U>n{
{ y06xl:iQwF
Left l; C_JO:$\rE
Right r; Kv)}
public : vK`HgRQ(C
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} '$rCV,3q
template < typename T2 > {+GR/l\!#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } EM`'=<)V
} ; LzDRy L
T+B8SZw#}!
同时,holder的operator=也需要改动: q|0l>DPRp
K]uH7-YvL/
template < typename T > ZH*h1?\X
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const zl|
XZ
{ x6*y$D^B
return assignment < holder, T > ( * this , t); ={f8s,m)P,
} n_:EWm$\
[4aw*M1z}.
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。 @4MQ021(
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ooBBg@
S^D7}
return l(rhs) = r; *?$M=tH
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 n`@dk_%yI
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: &SNH1b#>E
sT "q]
template < typename Tp > i+pQ 7wx
class constant_t ec/>LJDX7
{ 29CzG0?B
const Tp t; A\W)uwyN
public : tCm]1ZgRW
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} f/s" 2r
template < typename T > UR9\g(
const Tp & operator ()( const T & r) const .<Jv=
{ &W c$VDC
return t; !|j|rYi-
} E m^Dg9
} ; hgzNEx%^q
qozvNJm)
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 y. 1F@w|
下面就可以修改holder的operator=了 2i;ox*SfpU
UO#`Ak
template < typename T > QleVW
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const z@w}+fYO
{ JZ~wacDd
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); %n GjP^
} 4Gh\T`=
<=D
a
同时也要修改assignment的operator() ~MXhp5PI
bo(w$&
VW
template < typename T2 > BFg&@7.X
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } U^BM 5b
现在代码看起来就很一致了。 #HW<@E
vU5}E\Ny
六. 问题2:链式操作 (CgvI*O
现在让我们来看看如何处理链式操作。 bar=^V)
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 8ZqLGa]
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 3Zl:rYD?
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 I8`$a
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct nm& pn*1
MB $aN':
template < typename T > ,hT.Ok={36
struct result_1 k`A39ln7wu
{ -%gEND-AP
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; eO(U):C2
} ; hqlQ-aytS
Pqw<nyC.
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ^6R(K'E}
U*E)y7MY
template < typename T > \G7F/$g
struct ref =6O*AJ
{ -ucgET`
typedef T & reference; 8D,*_p
} ; s;=C&N5g
template < typename T > -u4")V>
struct ref < T &> +4Pes
{ R dwt4A+
typedef T & reference; ^jUw4Dj~-q
} ; PgGUs4[
-zn_d]NV
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: #.[eZ[
KX7fgC
template < typename T > B2P@9u|9
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const CaO-aL
{ P9f`<o
return l(t) = r(t); 2<y9xvp
} |#M|"7;2z
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。 *8m['$oyV
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 qk3|fW/-
9=3DYCk/
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 hV0fkQ.|
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: EG|dN(qh
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 '6WS<@%}
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 t|i<}2
最后的布局是: noL9@It0
Add s.Bb@Jq
/ \ YURMXbj
Divide 5 ,7c Rd }1Y
/ \ .RJMtmp
_1 3 rF"p7
似乎一切都解决了?不。 uOJqj{k_."
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。 Iv*\8?07)
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。 FVBAB>
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: 0V21_".S
X?wZ7*'1
template < typename Right > x: _[R{B
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const |*UB/8C^/!
Right & rt) const u4w!SD
{ z\A
),;
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); S#v3%)R
} YzQ1c~+
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 h=:/9O{H
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。 b=_k)h+l
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。 eh `%E0b}
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。 %K-8DL8|(
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。 '&B4Ccn<V
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? H~nZ=`P9&
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: FX|&o>S(8
&JqaIJh
template < class Action > O>1Cx4s5
class picker : public Action J-,ocO
{ 3^~J;U!3
public : \#t)B
J2
picker( const Action & act) : Action(act) {} S6JXi>n
// all the operator overloaded RK &>!^
} ; 0V(}Zj>
z]+L=+,,
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。 C-;w}
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: dCTyfXou[=
->{-yh]jv
template < typename Right > PC<_1!M]
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const bIyg7X)/
{ 3u$1W@T(
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); -|KZOea
} BDWbWA
6
u"*DI=pwb
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > WEif&<Y
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 tLa%8@;'$
9tPRQM7
template < typename T > struct picker_maker *Z_4bR4Q
{ ^zQI_ydG
typedef picker < constant_t < T > > result; xi(\=LbhY
} ; bC1G5`v_D
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > iP"sw0V8
{ cS9jGD92
typedef picker < T > result; poxF`a6e+
} ; pcwYgq#5
={zTQ+7S`
下面总的结构就有了: }\?9Prsd
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。 "O4A&PJD
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。 WJnGF3G>
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 4A!]kj5T
至此链式操作完美实现。 % (y{Sca
IUFc_uL@\
f(Of+>
七. 问题3 V+O,y9
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。 lt&(S)
\xCCJWek
template < typename T1, typename T2 > j/*1zu8Y
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const d/&>
`[i
{ bTaKB-
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); i9DD)Y<
} Oti*"dV\::
\MOwp@|y
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: j,+]tHC-
]$[sfPKA
template < typename T1, typename T2 > ujX;wGje
struct result_2 V^5d5Ao
{ Km8aHc]O~
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; D![v{0 er
} ; :]m.&r S,
+ '_t)k^
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Tn#Co$<
这个差事就留给了holder自己。 p2i?)+z
+SH{`7r
d}h{#va*
template < int Order > w>&*-}XX
class holder; w31Ox1>s
template <> 5FoZ$I
class holder < 1 > hu.o$sV3;
{ :lcq3iFn
public : ^!&6=rb
template < typename T > eMJ>gXA]
struct result_1 Zp9.
~&4o-
{ 4V')FGB$
typedef T & result; Dp
](?Yr
} ; j )6
template < typename T1, typename T2 > V}#X'~Ob
struct result_2 l[38cF
{ ,|({[9jA
typedef T1 & result; I4X9RYB6c
} ; 3S:Lce'f
template < typename T > :hX[8u
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const qq| 5[I.?
{ ukW&\
return (T & )r; "tzu.V-
} 9Rnypzds
template < typename T1, typename T2 > }aVZ\PDg
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 3 !@
{ E^axLp>(I
return (T1 & )r1; _qxI9Q}<"
} L=4+rshl!_
} ; `r`8N6NQ&]
:}lqu24K
template <> X g6ezlW
class holder < 2 > FPDTw8" B;
{ CI'RuR3y]Z
public : iAwEnQ3h
template < typename T > lir=0oq<
struct result_1 T }}2J/sj
{ '+PKGmRW
typedef T & result; `<C<[JP:o
} ;
}X&rJV
template < typename T1, typename T2 > <-umeY"n>
struct result_2 Wh)D_
{ d#g))f;
typedef T2 & result; w7V\_^&Id
} ; 7Q}pKq]P
template < typename T > M3pE$KT0x
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const AI-*5[w#A
{ 2*|T)OA`m,
return (T & )r; k {*QU(
} ysW})#7X
template < typename T1, typename T2 > >NRppPqL
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ky2 bj}"p9
{
Q.g/
return (T2 & )r2; =*2,^j
} P0m3IH)
} ; xh;V4zK@`
e5|lz.o;
#).$o~1ht!
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> >。 fjh|V9H
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Ax;[ Em?I
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ?Y(
,QY$:f<
return l(i, j) = r(i, j); +1ICX
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) <+roY"
->sxz/L
return ( int & )i; ~dYCY_a
return ( int & )j; e8F]m`{_"
最后执行i = j; 3
jZMXEG)
可见,参数被正确的选择了。 4b8G 1fm
9L=mS
7*!7EBb
95l)s],
u\]EG{w(
八. 中期总结 !_S#8"
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: ~||0lj.D
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 6hxZ5&;(*
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ^3;B4tj[
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor QNj]wm=mp
IOy0WHl|
&9L4
t%As
/( Wq
zBF~:Uc`B
u_(~zs.N]
九. 简化 ;tjOEmIiU
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。
"o5]:]h)
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 [jMN*p?
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: hsC T:1i
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 3gA %Q`"
+-*/&|^等 n|( lPbD
2. 返回引用。 //R"ZE@d\
=,各种复合赋值等 8 #_pkVQw:
3. 返回固定类型。 O=B=0
各种逻辑/比较操作符(返回bool) De?VZ2o9"
4. 原样返回。 X0/slOT
operator, NJUKH1lIhR
5. 返回解引用的类型。 GWA"!~Hu
operator*(单目) IDohv[#
6. 返回地址。 *WwM"NFHDd
operator&(单目) 5 ~Wg=u<6
7. 下表访问返回类型。 Z>hTL_|]a{
operator[] ;*A'2ymXUT
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 #-/W?kD
operator<<和operator>> wZqYtJ
oz)[-
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。 >>U>'}@Q
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ]I?.1X5d0
uO%0rKW
template < typename Left > 2|nm> 4
struct value_return @N=vmtLP
{ l2D*b93
template < typename T > bJ~H
struct result_1 DB'v7
Ij0
{ st-{xC#N#
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 8Q'Emw |
} ; $%bSRvA
[&)]-2w2
template < typename T1, typename T2 > OUX7
*_
struct result_2 v=U<exM6%
{ ]G/m,Zv*:
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; O2w-nd74U
} ; zF1!a
} ; Abc{<4 z0?
[9m3@Yd'
FK%b@/7s~
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait %w;qu1j
&V].,12x
下面我们来剥离functor中的operator() @@65t'3S
首先operator里面的代码全是下面的形式: +7_qg
i7:
broLC5hbQU
return l(t) op r(t) rB>ge]$.
return l(t1, t2) op r(t1, t2) >!963>D R
return op l(t) n;g'?z=hy
return op l(t1, t2)
5ZCu6A
return l(t) op CIudtY(:
return l(t1, t2) op NR4+&d
return l(t)[r(t)] 8wU$kK
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] LEb$Fd
s,z~qL6&
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: 19!?oeOU
单目: return f(l(t), r(t)); PX:#+bq1
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); ;Qi:j^+P)
双目: return f(l(t)); =pH2V^<<#
return f(l(t1, t2)); b1&