一. 什么是Lambda fJWxJSdi
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 u`Z0{d
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, S,9NUt
Or+*q91j
wb6 L?t
+YkW[a\4
class filler G#e9$!
{ dK}WM46$
public : ACigeK^C}E
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} ]$~Fzs
} ; )'[x)q
y9C;T(oi;
2W3NL|P
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决:
u>}w-
f]tv`<Q7
DS:>/m>)
B;Xoa,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); sI&i{D
/m`}f]u
0R HS]cN
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。
qH#r-
)jyq{Jb
d,c8Hs8
gjj 93
二. 战前分析 .dx
4,|6
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 hv+|s(
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 D##+)`dK
h+,'B&=|_
aUH\Ee^M:R
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); O'k+7y
/* --------------------------------------------- */ Q
[rj
vector < int *> vp( 10 ); n*4lz^LR
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); eV"!/A2:N5
/* --------------------------------------------- */ q7X}MAW
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); z]kwRWe`j
/* --------------------------------------------- */ nX0HT
)}
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 9G0D3F
/* --------------------------------------------- */ IY=/`g
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); d/3J' (cq
/* --------------------------------------------- */ d1v<DU>M
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); [SVhtrx|%
^Ye\u1n4
UMV)wy|j
%Y~>Jl
看了之后,我们可以思考一些问题: NXpmT4
1._1, _2是什么? a1Hz3y~S/
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 /~De2mq1
2._1 = 1是在做什么? 5W/{h q8}}
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 [4sEVu}
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 zuSq+pxL@
<aJ$lseG
3jjMY
三. 动工 F^QQ0h]2
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: :\XI0E
H`~;|6}]n
jMM$ d,7B
f`jc#f5+'
template < typename T > ^W~p..DF
class assignment 1B|8ZmFJj
{ Mp~y0e
T value; ?38lHn`FyQ
public : "-31'R-
assignment( const T & v) : value(v) {} 7p.>\YtoR}
template < typename T2 > O*[{z)M.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } #2RiLht
} ; &?0:v`4Y
:_ROJ
Z\~GU*Y.e
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 X&M4MuL
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 'fx UV<K&
sV/l5]b]
u7fK1 ^O
w]u@G-e
class holder '$G"[ljr
{ ZE?f!ifp
public : >G~mp<L
template < typename T > k1^\|
assignment < T > operator = ( const T & t) const PRkSQ4
{ 08s_v=cF
return assignment < T > (t); YAVy9$N-
} %c|UmKKi
} ; .pPm~2]z
s&a1y~rv
0*;O?T
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: g13 rx%-
cc}Key@D
static holder _1; Es5f*P0
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 uR;gVO+QC
lDc-W =X=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ,](:<A)W&
而不用手动写一个函数对象。 31WC=ur5
`'I{U5;e
G7GZDi
m8R9{LC
四. 问题分析 Z[Qza13lo
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。 fu[K".
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。 .IarkeCtb
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 gF?[rqz{
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 =,y |00l
下面我们可以对这几个问题进行分析。 j;b42G~p
d}'U?6ob
五. 问题1:一致性 QaIjLc~W
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?| m: n`g1
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 E/M_lvQ
NLS"eDm
struct holder #LlUxHv #
{ ?BA]7M(,4
// 54lu2gD'
template < typename T > O.aG[wm8
T & operator ()( const T & r) const gr-9l0u
{ :W#rhuzC
return (T & )r; b-ll
} ?eH&'m}-
} ; YHNR3
[^CV>RuO
这样的话assignment也必须相应改动: T>TWU:
r{\1wt
template < typename Left, typename Right > -fhN"B)
class assignment m>USD?i
{ j/=iMq
Left l; !+>v[(OzM
Right r; n0Y+b[+wj
public : gE#>RM5D
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} Q!-
0xlx
template < typename T2 > lC:k7<0Ji
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } {3;AwhN0H
} ; We0.3aG
ahx>q
同时,holder的operator=也需要改动: {{V8;y
KT]Pw\y5
template < typename T > zp\8_ U@
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 9T#;,{VQ
{ ~wg:!VWA)
return assignment < holder, T > ( * this , t); HeBcT^a
} C{TA.\
=*p/F
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。 KiG p[eb
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 %X#zj"
dJ$"l|$$
return l(rhs) = r; y#}cC+;
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。 %%(R@kh9
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Y5fLmPza
U
qG
.:@T
template < typename Tp > 3u%{dG a
class constant_t IV\J3N^
{ Aw&tP[N[
const Tp t; 8~5cJPi6
public : j
";2o(
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ECv)v
template < typename T > y:v, j42%
const Tp & operator ()( const T & r) const 9UvXC)R1
{ ~]ZpA-*@Ut
return t; %Uz(Vd#K
} 2^?:&1:
} ; sz9L8f2
NcY608C
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 $9?cP`hmi
下面就可以修改holder的operator=了 ?%H):r
1S@vGq}
template < typename T > qJ0fQI\
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const V!)O6?l
{ m3o,@=b
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); uZ;D!2Q a
} OyqNLR
~c6}
同时也要修改assignment的operator() xe/(
EbqcV\Kb
template < typename T2 > P./VmY'
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } #-h\. #s
现在代码看起来就很一致了。 znJ'iVf
(Vo>e =q
六. 问题2:链式操作 `5H$IP1XhA
现在让我们来看看如何处理链式操作。 PTj&3`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。 o/ui)U_
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。 eI@
q|"U
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。 ,m,)I
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct <})'Y~i
*cyeO*
template < typename T > ne^imht
struct result_1 ^{8Gt@
{ 3"rzb]=R
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; u :F~K
} ; KoS*0U<g6
'?({;/L
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: 7#wn<HDY%
s@fTj$h
template < typename T > NH0qVQ@A
struct ref $y
b4xU
{ 'g9"Qv?0{`
typedef T & reference; `)QCn<
} ; Q);n<Z:X~
template < typename T > &7_Qd4=08w
struct ref < T &> vVE7fq3
{ aH#l9kCb
typedef T & reference; MCdx?m3]
} ; ;*,f<
Zk[&IBE_
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: iPrLwheb
bBY^+c<
template < typename T > Bphof0{<}
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ]~\sA
{ +CI1V>6^
return l(t) = r(t); n3sUbs;
} <EST?.@~+
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。 2./3 \n2
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 M2U&?V C!
ox
;
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 SI8%M=P>
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: a/< Csad
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 {?`al5Sz
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ;m2<eS`o'
最后的布局是: K!KMQr`
Add 7h)iu9j
/ \ ~gu3g^<0v
Divide 5 b
pv=%
/ \ "HXYNS>
_1 3 $t/x;<.H
似乎一切都解决了?不。 yOvm`9
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。 K x~|jq
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
(3bW1{n
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: d,by/.2
F9*g=
template < typename Right > 5?Wto4j
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const $u/E\l
Right & rt) const @ps1Dr4s
{ LF0sH)e]
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ko^\HSXl
} OnWx#84
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 b<]n%Q'n
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 F"N60>>
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 !u]1dxa
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 .Udj@{
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 )3(;tT,$}^
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? !s@Rok
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: d`1I".y
0
&GRPu27
template < class Action > !yhh8p3
class picker : public Action
U8(Nk\"X\
{ x}twsc`
public : yObuWDA9
picker( const Action & act) : Action(act) {} hkOsm6
// all the operator overloaded 2c/Ys4/H4]
} ; *:O.97q@h
b$eXFi/
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。 ~n/
$
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: {hJXj,
&[&r2>a
template < typename Right > V#jWege
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 3<F </
{ dik9 >*"|o
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); CB&iI'
} +1~Z#^{&
|+$%kJR=
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > @x/T&67k
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。 XW?b\!@ $
'Z`$n8
template < typename T > struct picker_maker /CTc7.OYt
{ 3v")J*t
typedef picker < constant_t < T > > result; $x6$*K(F
} ; F:#J:x'
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > >
.Gcy>Av
{ `HuCT6O
typedef picker < T > result; Zatf9yGD
} ; 'q * Bdx
]m#5`zGK1|
下面总的结构就有了: KQ[!o!%
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。 0R0{t=VJZ
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。 MZ+e}|!4,
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 qOaQxRYm%Y
至此链式操作完美实现。 MV=9!{`
P_u|-~|\
wDwH.~3!
七. 问题3 [j4v]PE
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。 <ER'Ed
U=8@@yE
template < typename T1, typename T2 > ""svDfy$
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const s
s
3t
{ _W3Y\cs,-
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); IcIOC8WC
} *1@:'rJ
8 ^B;1`#
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: A>VX*xd
pG"5!42M!
template < typename T1, typename T2 > IHC1G1KW=A
struct result_2 #'4OYY.
{ Z2"?&pKV
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; //Ai.Q.J[
} ; U.T|
, %YBG1E[y
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? %PJhy 2
这个差事就留给了holder自己。 s/Xb^XjS1
7<9L?F2
:c8n[+5
template < int Order > ^zEE6i
class holder; (c v!Y=]
template <> V[a[i>,Z
class holder < 1 > /XS&d%y
{ m=qOg>k
public : 0uCT+-
template < typename T > ^6p'YYj"5
struct result_1 <Q<+4Y{R
{ nT#JOmv
typedef T & result; N~ANjn/wL
} ; +CM7C%U
template < typename T1, typename T2 > ~YCuO0t
struct result_2 6k?`:QK/sl
{ 7m5Co>NkuK
typedef T1 & result; g<\z= H
} ; b]gY~cbI8
template < typename T > )R{UXk3q}
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const .]Mn^2#j
{ +Zk,2ri
return (T & )r; 2k#t
.-
} z 2/!m[U
template < typename T1, typename T2 > ;LJ3c7$@lf
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \Btk;ivg
{ > 8]j
return (T1 & )r1; A[UP"P~u/
} `0#H]=$2h
} ; }1+%_|Y-E
+?`b=6e(`
template <> GIHpSy`z
class holder < 2 > >{Rb 3Z]
{ ;BH>3VK
public : '4;6u]d)2
template < typename T > hv)7H)|l~]
struct result_1 MmU%%2QG
{ EY>8O+
typedef T & result; #I`ms$j%
} ; aw}+'(?8]
template < typename T1, typename T2 > ;7G_f
struct result_2 2Eh@e([PMs
{ F}ukZ
DB
typedef T2 & result; Qs+ k)e,
} ; ?)tK!'
template < typename T > 1"K*._K
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const #A <1aQ
{ ]" x\=A
return (T & )r; )wf\F6jN
} V"d=.Hb>
template < typename T1, typename T2 > .?#uxd~>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Sw!
j=`O
{ =L0fZf
return (T2 & )r2; ekzjF\!y
} O25mkX
} ; ?9U:g(v
)}X5u%woV
1
ycc5=.
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> >。 QXk"?yT`E
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ~oi_r8K
首先 assignment::operator(int, int)被调用: A1JzW)B
, Fytk34
return l(i, j) = r(i, j); .1ddv4Hk
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) r*cjOrvI
:Z2tig nL
return ( int & )i; P79R~m`
return ( int & )j; ,hE/II`-d'
最后执行i = j; =l|>.\-
可见,参数被正确的选择了。 g{DFS[h
aV|k}H{wt
6/y*2z;
;mJkqbVol
anx&Xj|=.F
八. 中期总结 1~qm+nET\
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: ^HFo3V
}h
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 OJ[rj`wrW^
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 U1^l+G^,~
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor T7GQ^WnA
6D*chvNA;
H'Iq~Ft1
tP]q4i
4_<
nQ9K
#uWE2*')
九. 简化 i/:5jI|
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。 @DCJ}hud
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 BHiOQ0Fs
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: /W9
&Ke
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 rU*q@y
Px
+-*/&|^等 t,?,F4j
2. 返回引用。 zv9MHC
&
=,各种复合赋值等 pDhY%w#
3. 返回固定类型。 xvO 3BU~2
各种逻辑/比较操作符(返回bool) A5+5J_)*
4. 原样返回。 #L1>dHhat
operator, WJcVQMs
5. 返回解引用的类型。 kC|Tubs(
operator*(单目) E.#6;HHzN
6. 返回地址。 @$ftG
operator&(单目) 9i[4"&K
7. 下表访问返回类型。 . z].:$J&
operator[] 5l&j