一. 什么是Lambda 5W/!o&x~7
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 Ay7I_"%
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, qfp,5@p
b&:>v9U
4yhan/zA
#/fh_S'Z
class filler O~t]:p9_
{ 4]L5%=atn
public : N@D]Q&;+(T
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 8S2sNpLi-g
} ; *`~
woF
dQUZ11
X0<qG
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: C!KxY/*Px
>B)&mC$$S
oRl~x^[%[-
I&9_F%rX
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); V~j:!=b%v
f,Q oA
"`P/j+-rt
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 S/YT
V
j#^EZ/
O$QtZE61
N$1ZA)M
二. 战前分析 lJaR,,
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。 E(J@A'cX
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 /.1c<!
Dqss/vwV
0V*B3V<
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sywSvnPuYZ
/* --------------------------------------------- */ Hc?8Q\O:
vector < int *> vp( 10 ); RbPD3&.
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); /Y=Cg%+
/* --------------------------------------------- */ f4A;v|5_
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); !cP2,l'f
/* --------------------------------------------- */ ^)$(Fe<
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); V<X[>C'
/* --------------------------------------------- */ eVL#3|=
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ${(v
Er#}k
/* --------------------------------------------- */ a1p Z{Od
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); _5<d'fBd
5%H(AaG*q
Q;9-aZ.H
]=X6*
E*/E
看了之后,我们可以思考一些问题: X[' VZz7
1._1, _2是什么? E
P1f6ps
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。 71euRIW'5
2._1 = 1是在做什么? Be~__pd
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。 CC{*'p6
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。 yT[CC>]l
Ew`(x30E
r~mZ?dI
三. 动工 t:MeSO
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: @bPR"j5D
/j7e
q
&j}08aK%
hw2'.}B"(
template < typename T > #vwK6'z
class assignment -cDS+*[
{ ?vA)F)MS
T value; xIt' o(jQH
public : O}#Ic$38
assignment( const T & v) : value(v) {} ^?+qNbK
template < typename T2 > o%EzK;Df
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } .AB n$ml]
} ; 1omjP`]|,
u^6@!M
Q#k Sp8
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 x*`S>_j27=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment _#\e5bE=Z
"Wz8f
fAEgrw%Ti
ni2GZ<1j
class holder q fc:%ks2
{ ye<b`bL2.
public : GtuA94=!V&
template < typename T > `!Z0;qk
assignment < T > operator = ( const T & t) const %rFR:w`{
{ x3>ZO.Q
return assignment < T > (t); lw\+!}8(
} \eF_Xk[
} ; W8blHw"
`}r)0,Z}3
L/J1;
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: 5taR[ukM
%*}h{n
static holder _1; MQc<AfW3/
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 N_:H kI6
h 8%(,$*
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &9+]{jXF
而不用手动写一个函数对象。 ZZs@P#]
us5<18M5
g2LY~
gg0rkg
四. 问题分析
A
".v+
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。 T}}T`Ce
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。 kk`K)PESi
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ^l:~r2
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 <<=.;`(/v
下面我们可以对这几个问题进行分析。 aM7e?.rU
f]pHJVgFV
五. 问题1:一致性 AX%N:)_$|
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?| d/8p?Km
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 "|Ke/0rGB
ndmsXls
struct holder o5@d1A
{ Z bW!c1s{
// 4Wd
H!z
template < typename T > ]/9@^D}&
T & operator ()( const T & r) const x/pX?k
{ ybC0Ee@
return (T & )r; Aaw]=8 OI
} -lY,lC>{
} ; m
>Rdsn~l
l`bl^~xRo
这样的话assignment也必须相应改动: %jE0Z4\
!+k);;.+
template < typename Left, typename Right > NR>&1aRbyb
class assignment SeV`RUO
{ =dT
#x
Left l; }6'%p Bd
Right r; _4f=\
public : tP:ER
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} bMA0#e2
template < typename T2 > b FMBIA|
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } lt{D f~c
} ; \wKnX]xGf
&At9@
同时,holder的operator=也需要改动: 8I}ATc
"X(9.6$_
template < typename T > y$}o{VE{x
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const |2Y/l~
{ MpVZL29)
return assignment < holder, T > ( * this , t); b$eN]L
} 43}uW,P
u}">b+{!
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。 j5gL67B
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 mahNQ5 W*)
qJ<l$Ig
return l(rhs) = r; wp5H|ctl
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。 dV16'
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: .p?SPR
qQ6@43TC
template < typename Tp > -yTIv*y
class constant_t 4i5b.bU$
{ |sl^4'Ghc
const Tp t; 3+vVdvu%
public : rvK%m_r
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 8j :=D!S
template < typename T > @; I9e
const Tp & operator ()( const T & r) const #!%zf{(C+
{ Oamz>Hplu
return t; euW
} ;t,v/(/3
} ; N9y+Psh
W-Vc6cq
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 K5t.OAA:
下面就可以修改holder的operator=了 Fs(S!;
"dE[X`
}=
template < typename T > 7,8TMd1`M
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 8?x:PkK
{ pYu6[
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); /L5:/Z
} Y> ATL
2JcP4!RD
同时也要修改assignment的operator() 3 `mtc@*
>,I'S2_Zl
template < typename T2 > #6l(2d
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ZLPj1L
现在代码看起来就很一致了。 c@)?V>oe
%+<1X?;,Fq
六. 问题2:链式操作 #};Zgixo$
现在让我们来看看如何处理链式操作。 };EB[n
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。 jW-;Y/S
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。 0PsQ
1[1
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。 DyA/!%g
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ]mUt[Yy:z
A wk1d
template < typename T > ;sq xFF@
struct result_1 zK{}
{ 6Z2|j~
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 9_e_Ne`i`?
} ; 3(vm'r&5n>
zjSl;ru
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: 7zJ2n/`m*
IN;9p w
template < typename T > _-^mxC|M
struct ref [TFp2B~)#
{ 7^mQfQv
typedef T & reference; Ap;^\5
} ; -T-yt2h(
template < typename T > Z glU{sU
struct ref < T &> Zk>m!F>,p
{ a/3'!} &e
typedef T & reference; t~nW&]E
} ; inZ0iU9dy
:nc%:z=O
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: /=A@O !l
rmtCCPF?0
template < typename T >
2Vu?Y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 9
`q(_\ x
{ m\bmBK"I
return l(t) = r(t); H{Lt,#
} f5l\3oL
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。 [p}~M-$V8Y
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 e"XolM0IM
.tyV=B:h
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 </?ef&
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: mH5>50H;
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 `P-d. M6Oa
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 W1t_P&i
最后的布局是: F:[[@~z
Add D%c^j9' 1
/ \ UQ7La 7"
Divide 5 n<<arO"cv
/ \ ?~#[cx
_1 3 %g3QE:(2@q
似乎一切都解决了?不。 ]KXyi;n2
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。 ~Fl\c-
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。 jO|`aUYTf
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: ,Mi'NO
/BvMNKb$$
template < typename Right > D`X<b4e8/
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Qz%q#4Zb
Right & rt) const ZrA*MN
{ (x.qyYEoI
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Fi\)ka\u
} NLYf
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 x2aG5@<3
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。 <w8H[y"c
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。 Tyb'p9
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。 riaL[4c
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。 g}K/ba'
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? $=^}J6
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: /h`gQyGuY
]n<Ba7Y
template < class Action > oWi#?'
class picker : public Action WX_g
{ HU4h.Lm
public : IB 4L(n1
picker( const Action & act) : Action(act) {} 1p&=tN
// all the operator overloaded &TrL!9FtJ
} ; M(C}2.20
)`\Q/TMl5
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 j]5e$e{
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: 0Q,Tcj
gSyBoY
template < typename Right > $#W^JWN1
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const v$(Z}Hg
{ [Fk|m1i!
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); qs_cC3"=%=
} /RxqFpu|.
B>\q!dX3
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 0o BAJP
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。 P6ka'!z
]~f-8!$$R
template < typename T > struct picker_maker o8%o68py
{ MTgf.
typedef picker < constant_t < T > > result; |UQ[pas
} ; US-f<Wq
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > EGFPv'De
{ x;~@T9.
typedef picker < T > result; AE`{k-3=%
} ; -ik((qx_
<@+L^Ps~z
下面总的结构就有了: f(!cz,y^\*
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。 xCT2FvX6
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。 d/$e#8
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ",,.xLI7
至此链式操作完美实现。 Q^l!cL| {
`022gHYv
w-v8P`V
七. 问题3 REi"Aj=
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。 a[sdYZ
S==0/
template < typename T1, typename T2 > dXsL0r*c
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ~Hj c?*
{ +2Aggv>*
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Xqew~R^MP
} jO*H8XO
EqIs&){
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: O~x{p,s
U
'%*hs8s
template < typename T1, typename T2 > 6Iz!_
struct result_2 HTMo.hr
{ \Ov~ t
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; c5O8,sT
} ; 7X>@r"9<
X`eX+9
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? dBN:
这个差事就留给了holder自己。 qvhG^b0h
Ep')@7^n
$`t2SD
template < int Order > ?Q"1zcX
class holder; +HG*T[%/
template <> P4 #j;k4P
class holder < 1 > KD--w(4
{ `A8ErfA
public : 2{B
ScI5K
template < typename T > iMQ0Sq-%1
struct result_1 (N`GvB7;
{ 4Ujy_E?^
typedef T & result; d\r-)VWSr"
} ; Fj"/jdM
template < typename T1, typename T2 > pfFHuS~
struct result_2 |ZOdfr4uW
{ 9xFI%UOb#
typedef T1 & result; (,cG+3r]
} ; C3(h j
template < typename T > aF>&X-2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 9VSi2p*
{ 'p[B`Ft3F
return (T & )r; r4b-.>w
} S7~HBgS<
template < typename T1, typename T2 > }eveNPB{5
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const j@{dsS:6
{ .-Dc%ap]
return (T1 & )r1; al7D3J
} >qd=lm <,
} ; buhbUmQ2
Q&/WVRD
template <> xT!<x({
class holder < 2 > Ns5P,[pBOZ
{ -x|!?u5F
public : K\.tR
template < typename T > ^ei[1#
struct result_1 BE@(| U
{ m"Mj3Z:
typedef T & result; mTX:?>
} ; GV1Ol^
template < typename T1, typename T2 > (VMCVZ
struct result_2 '1b8>L
{ Bcv{Y\x;ko
typedef T2 & result;
AjcKz
} ; (n B[aM
template < typename T > `(?c4oq,c>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const +?"F=.SZ
{ KQ]sUNH
return (T & )r; ZXb{-b?[`
} M1m]1<
template < typename T1, typename T2 > G5U?]& I8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const qtAt=` s
{ --l
UEo ~
return (T2 & )r2; vJ&D>Vh4e
} ^\B4]'+^j
} ; G9okl9;od
c;q=$MO`
(,o@/ -o
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> >。 |T"vF`Kr(>
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: D
)`(b
首先 assignment::operator(int, int)被调用: &\6},JN
aeN #<M&$<
return l(i, j) = r(i, j); 9Xg7=(#
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ER9{D$
BrSvkce
return ( int & )i; C=&n1/
return ( int & )j; NYHK>u/5c
最后执行i = j; PA
ZjA0d
可见,参数被正确的选择了。 g4,ldr"D
7/hn%obC
YL|)`m0-^5
084Us
s
T<Xw[PEnP
八. 中期总结 u4
es8"
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: 1\@PrO35J
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 F!hjtIkPj
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_g8ni5X
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 9VTAs:0D=
H:hM(m0?q
J2x}@p
9b=0
4aWHm
xP>cQEL ot
GNM>hQ)h:
九. 简化 w]qM
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。 KZg2`8F
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 z0+JMZ/
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: g9^\QYh!
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 r@r*|50
+-*/&|^等 ^(+q1O'
2. 返回引用。 cOdRb=?9
=,各种复合赋值等 baG_7>Q9H
3. 返回固定类型。 .up[wt gN
各种逻辑/比较操作符(返回bool) U'F}k0h?\'
4. 原样返回。 dO2?&f
operator, <S7SH-{_\
5. 返回解引用的类型。 I^f|U
operator*(单目) {"~[F 2qR
6. 返回地址。 K:<Viz
operator&(单目) dDl+
7. 下表访问返回类型。 0|-}>>qb\
operator[] n[!QrEeR},
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 4t =Kt
operator<<和operator>> Pf4zjc
'"7b;%EN'
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。 ^GM3nx$
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 3YLfh`6
hY{4_ie=8
template < typename Left > YC 4c-M
struct value_return FEu}zt@
{ 4rL`||
template < typename T > /q>ExXsEC
struct result_1 bf.+Ewb(
{ tgCp2`n
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; '+$r7?dKP
} ; 6P>Y2xV:
(Q||5
template < typename T1, typename T2 > ejR$N!LL
struct result_2 +-;v+{
{ @BnK C&{
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; w)S 4Xi=
} ; ZGH
7_K
} ; FLQke"6i0:
j}Svb1A
Ji,;ri2i
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait nT=%3_.
\6a' p
Q,
下面我们来剥离functor中的operator() rU9")4sQ
首先operator里面的代码全是下面的形式: PO'K?hVS^w
lGp:rw`
return l(t) op r(t) GjW(&p$&
return l(t1, t2) op r(t1, t2) <`Fl Igo
return op l(t) S6bYd`
return op l(t1, t2) <