一. 什么是Lambda Yiw^@T\H`
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 8; N}d)*O
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, 1Y0oo jD
;8xn"G0}a
`DY4d$!4
3&d+U)E
class filler J-{E`ibGN
{ @5@{Es1u
public : ; 8x^9Q
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} /(L1!BPP9m
} ; rW>'2m6HU
>0okb3+
gwjv&.T6^
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: )Zr0_b"V:e
YG+Yb{^"
kK6>>lD'
%_LHD|<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); DG9;6"HBX
0<Y&2<v
E|}Nj}(*
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 30v1VLR_)
b,V=B{(~
oDDH;Q"M(
5GpKX
二. 战前分析 ~SUl,Cs
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 U`4Zj1y
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 IHMyP~{
2x J5
>\Pj(,'
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]6 7wk
/* --------------------------------------------- */ |,~A9
vector < int *> vp( 10 ); L}pFb@
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); *)SgdC/f
/* --------------------------------------------- */ n>+W]I&E
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); [5:7WqB
/* --------------------------------------------- */ @wZ_VE7B
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); sbhEZ#7#
/* --------------------------------------------- */ z4UQ:z@
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' );
vu
\Dx9
/* --------------------------------------------- */ QlXF:Gx"=
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1);
]b$,.t5
gV>\lMc[-%
i-W2!;G
$1
\!Oe[i
看了之后,我们可以思考一些问题: P9!]<so
1._1, _2是什么? cuk}VZ
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 @Oay$gP{T
2._1 = 1是在做什么? C&"2`ll
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。 7ZnQ] ?
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。 kpUU'7Q
#i U/Yg!
WU@,1.F:
三. 动工 PiQs><FK8
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: Nr+1N83S}
|*a>6y
LJ#P- `!{&
#ms98pw%5
template < typename T > pLcng[
class assignment iB_j*mX]
{ i kiy>W8
T value; _kLoDju%
public : #8|NZ6x,
assignment( const T & v) : value(v) {} eci\Q,
template < typename T2 > >>xV-1h:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } *(IO<KAg8
} ; " <AljgF
FeMu`|2
A*i_-;W)
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 FZ/&[;E!
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment =w>QG{-N
#pFybk
\2b9A'd>
Ut =y`]F
class holder a{,t@G
{ @jeV[N,0
public : o(qmI/h
template < typename T > "j>0A
Hem
assignment < T > operator = ( const T & t) const \H(,'w7H
{ +[DVD
return assignment < T > (t); gk`.8o
} s1q d/
} ; S22 ;g
uI wyan-
lEs/_f3;A
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: M
XQ7%G
8hT>)WH}wo
static holder _1; Z%=E/xT
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 tDkqwF),
t|lv6-Hy9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); j>23QPG`6U
而不用手动写一个函数对象。 ~Sq >c3Wn
Nh%8;
| <$O5b'
jL$X3QS:
四. 问题分析 E~Nr4vq
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。 yAe}O#dy
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!dklQh0
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 /2q%'"x(
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 <^paRKEa+#
下面我们可以对这几个问题进行分析。 @<L.#gtP
gy.;
"W
五. 问题1:一致性 #'P&L>6
;
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?| %94"e7Hy
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 #s%$kYp 1
F(r&:3!97
struct holder u9Ro=#xt
{ ^M"g5+q
//
8:MYeE5
template < typename T > Q@R8qc=*
T & operator ()( const T & r) const (%1*<6ka
{ *:(t.iL
return (T & )r; $fKWB5p|()
} lk|/N^8M
} ; 4M}/PoJ
<:w7^m
这样的话assignment也必须相应改动: 2+HiaYDZ
#]2u!ama
template < typename Left, typename Right > .:}\Z27-c
class assignment !=pemLvH
{ Zh$Z$85p
Left l; ~7v^7;tT
Right r; whshjl?a
public : tp7fmn*
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 9]iDNa/D
template < typename T2 > ,7aqrg
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 5VfP@{
} ; :([,vO:
_19k@a
同时,holder的operator=也需要改动: A}8U;<\Ig
IftPN6(Z
template < typename T > |d$aISO`
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const #,sJd ^uI
{ :L,]<n
return assignment < holder, T > ( * this , t); We|*s2!
}
@Hzsud
'CvZiW[_r
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。 {ib`mC^
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 _B2t|uQ
w jF\>
return l(rhs) = r; @)}U\=
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。 h!MT5B)r.
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ETtR*5Y 5
=S,^"D\Z:
template < typename Tp > |zf||ju
class constant_t Z6I!4K
{ H={,zZ11{
const Tp t; r?$\`,;
public : _v\QuI6
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} +x1sV *S
template < typename T > kDrGl{U}
const Tp & operator ()( const T & r) const < mxUgU
{ Ur@3_F
return t; =o {`vv
} j>U.(K
} ; ~vgW:]i
*UTk. :G5
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 xg8<b
下面就可以修改holder的operator=了 Z7 @#0;g{
mEA w^
template < typename T > uQDu<@5^[
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const NJ~'`{3v
{ WJ%b9{<
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); R$\ieNb
} ^m~=<4eX
C]k\GlhB
同时也要修改assignment的operator() [4gv_g
Gfvz%%>l
template < typename T2 > L.5GX 29
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } c;WS !.
现在代码看起来就很一致了。 w v1R
]3}
TS-[p d
六. 问题2:链式操作 (mzyA%;W
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ~DSle 3
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。
,{%[/#~6
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。 `hbM2cM
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。 N7[~Y2i
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct &CS= *)>$
\"Np'$4eu
template < typename T > P?I"y,_ p
struct result_1 Lczcz"t
{ :r\<DVj
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; Tb}b*d3
} ; ALG +
}"szL=s
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: ,HkJ.6KF
|i|O9^*%
template < typename T > $wBUu
struct ref V3UEuA
{ n4ISHxM
typedef T & reference; m~}nM |m%
} ; }5A?WH_
template < typename T > yVW )DQ4?
struct ref < T &> y==x
{ >yaRz+
typedef T & reference; 4"GY0)
Q
} ; -1@kt<Es
=lzjMRX(?
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 'RPe5 vB
^*ZO@GNL
template < typename T > 0_ ;-QAd
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const |{$Vk%cUE
{ R8mL|Vb|
return l(t) = r(t); H6L`239u
} {3l]/X3
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。 ?&[`=ZVn
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 rTx]%{
>OQ<wO6
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 /u?^s "C/
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 5-MI7I@l
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 c+q4sNnE
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 Q ml<JF
最后的布局是: j_k!9"bt
Add VlKWWQj
/ \ #
TvY*D,
Divide 5 0Rj_l:d=
/ \ &Y\`FY\
_1 3 &L_(yJ~-
似乎一切都解决了?不。 gg<lWeS/3
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。 w'}b 8m(L
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。 Nkc=@l{
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: /W fpA\4S
0;)4.*t
template < typename Right > 1;>J9
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const sVGyHA
Right & rt) const d^w6_
{ Ug/b;( dJ'
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); qg|SBQ?6
} ]c*&5c$
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 Z[ys>\_To
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。 =ove#3
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。 /op8]y
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。 KZ&{Ya
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。 SDZ/rC!C
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? j2V^1
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: \\6/"
c!b4Y4eJ
template < class Action > <&B)i\j8=b
class picker : public Action G/b
$cO}
{ 4v Ug:'DM
public : yH irm|o
picker( const Action & act) : Action(act) {} u1rT:\G1
// all the operator overloaded y4+Km*am,W
} ; $vx]\`
^
L~>pSP^a
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 d7A vx
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: (V#5Cs,o:
N_wB
template < typename Right > WS4Ja$*
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const %R."
{ }qxwNmx
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 6V W&An[6r
} +hGr2%*0f
IvO#tI
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Tw8$6KUW
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 g6MK~JG$?h
BVU>M*k
template < typename T > struct picker_maker q9|'!m5K
{ ]%pr1Ey
typedef picker < constant_t < T > > result; 8a)lrIg
} ; 4'[/gMUkw
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > s>ilxLSX]
{ n2cb,b/7
typedef picker < T > result; icH\(
} ; ^i:%0"[*^i
4"7/+6Z
下面总的结构就有了: w6aq/m"'
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。 kocgPO5
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。 FbhF45H
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 <<4U:
至此链式操作完美实现。 yJNQO'wcv
$cflF@3
@#rF8;
七. 问题3 p%[/
_ -7
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 l]C#bL>i
r1ao=N
template < typename T1, typename T2 > 2M@,g8O+B=
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~qT5F)$B-
{ )H8Rfn?
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Dn~c
} k^K>*mcJ
jnho*,X
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: OlI|.~
4SlEc|'7@
template < typename T1, typename T2 > j`7q7}
struct result_2 @~sJ
((G[5
{ u7L&cx
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; F!ZE4S_
} ; ^ZuwUuuf
wl7G6Y2
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? ZW7z[,tk<.
这个差事就留给了holder自己。 nHyqfd<V>
^ZP
$(a4
pr-=<[ d
template < int Order > _Fkz^B*
class holder; #p$iWY>e~
template <> y rH@:D/
class holder < 1 > =Z}$X:
$
{ j]P'xrWl]8
public : z[|2od
template < typename T > iC2``[m"
struct result_1 -?z#
{ )xm[m vt
typedef T & result; ?sD4S
} ; gv\WI4"n
template < typename T1, typename T2 > ur\<NApT;
struct result_2 n37P$0
{ :<gC7UW
typedef T1 & result; [3 D*DyQt
} ; s_o{w"3X
template < typename T > z;iNfs0i$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const wAD%1;
{ l$Y*ii
return (T & )r; pT|l "q@
} tzJ7wXRr
template < typename T1, typename T2 > aGBUFCCa
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const zCji]:
{ 18nT
Iz_
return (T1 & )r1; @k+K_gR
} O#MaZ.=
} ; L _D #
z=/&tRe
W
template <> YC[cQX
class holder < 2 > 7D&O5Z=%+
{ FRhHp(0}5
public : t03X/%H
template < typename T > }i$ER,hXh
struct result_1 QZ&
4W
{ WA((>Daf]
typedef T & result; z94#:jPmG
} ; k:[T#/;
template < typename T1, typename T2 > V!\'7-[R
struct result_2 { k>T*/
{ ;&c9!LfP
typedef T2 & result; xciwKIpS
} ; *47HN7
template < typename T > ?xwLe
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 7y4jk
{ \&/V p`
return (T & )r;
X6<Ds'I
} T].Xx`
template < typename T1, typename T2 > zb3,2D+P
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const i"#pk"@`
{ Yz)+UF,
return (T2 & )r2; 4OeH}@ a
} v`hn9O
} ; [nA1WFfM
%0Ibi
BEtFFi6ot
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> >。 H
S)$|m_
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: +wp !hk&C5
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 1z3>nou2{
fG zx;<0P!
return l(i, j) = r(i, j); <
v1.+
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) &6e A.
.;F%k,!v
return ( int & )i; m$bYx~K
return ( int & )j; \NTVg6>qN
最后执行i = j; X2T_}{
可见,参数被正确的选择了。 i&KBMx
} `Cc-X7
ZZ>F ^t
%6\L^RP
4&AGVplgF
八. 中期总结 \1sWmN6
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: MbxJ3"@
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 4Ss*h,Y
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 1}R\L"
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ;b}cn!U]
V%'' GF
L 8J] X7
Ax6zx
.=N ?;i
)# v}8aL
九. 简化 ka@yQ V
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。 %$_Y"82
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 O{p7I&
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: E|3[$?=R
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 / hg)=p
+-*/&|^等 r{{5@
2. 返回引用。 @6M>x=n5
=,各种复合赋值等 N6Dv1_c,
3. 返回固定类型。 (%'`t(<
各种逻辑/比较操作符(返回bool) NIAji3
4. 原样返回。 G\R6=K:f7
operator, =om<* \vsO
5. 返回解引用的类型。 L|8&9F\
operator*(单目) EMPujik-
6. 返回地址。 H2'djZ
operator&(单目) $F1Am%
7. 下表访问返回类型。 +7{8T{
operator[] oT|:gih5
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 W/VEB3P>Z
operator<<和operator>> `# :(F z
nub!*)q
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。 JQ|*XU
例如针对第一条,我们实现一个policy类: wlQ
@3RN>
p+228K ;H
template < typename Left > ;{Yr|
struct value_return /.(~=6o5
{ dt0(04
template < typename T > l,5isq
;m
struct result_1 cd`P'GDF
{ g 'Wr+(A_
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Z5g*'
} ; U] P{~
<kJ`qbOU
template < typename T1, typename T2 > 8@ S@^C*F
struct result_2 ,Iru_=Wk~
{ ~Rx`:kQ
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ^A=2#j~H\
} ; WD5jO9Oai
} ; :)y3&