一. 什么是Lambda fINM$ 6
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 l:HO|Mq
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, ~|J6M
D2!ww{t
LTtfOcrt
-r-`T
s
class filler 1"odkM
{ &r<<4J(t
public : z4-AOTo2y
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} MO#%w
} ; jgbw'BBu
u'K<-U8H
>/bl
r}5
H
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: lGLZIp
RFK
N,oB
\\)-[4uC
/2HwK/RZ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); %k$C
dIO\ lL
}UGPEf\
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 J*U(f{Q(
74Q?%X
g>im2AD+e
^1cqx]>E
二. 战前分析 Y5MHd>m
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 m'qMcCE
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ^m1Rw|
//+UQgl6
TVFGonVY
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); %okEN!=
/* --------------------------------------------- */ sa#"@j)
vector < int *> vp( 10 ); ,+X8?9v
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); |ntJ+
/* --------------------------------------------- */ Pucf0 #
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); XbH X,W$h
/* --------------------------------------------- */ `z=MI66Nl
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); <![T~<.
/* --------------------------------------------- */ ZY/at/v
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ,OasT!Sr
/* --------------------------------------------- */ p-7dJ
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); v}_$9&|S
/BIPLDN6
If&p$pAH?
C3_*o>8
看了之后,我们可以思考一些问题: M}5 C;E*
1._1, _2是什么? gN]`$==c[
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。 MW$9,[
2._1 = 1是在做什么? z{n=G
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 r\NnWS J
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 J5o"JRJ"
So8P8TCK
UJm`GO
三. 动工 ]DUH_<3"E
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: []2GN{m
z H \*v'
e.jgV=dT-
!J71[4t
template < typename T > {[9^@k
class assignment WWO jyj
{ TRq~n7Y7C
T value; !c&^b@
yw
public : (~OwO_|3
assignment( const T & v) : value(v) {} d)G-K+&B
template < typename T2 > U=yD!
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } uo{QF5z]
} ; =az$WRV+7!
aFSZYyPxwv
Fu`g)#Z
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 I&xRK'
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Q.|2/6hD7[
{'ZnxK'
o&AUB`.9~
k
Z3tz?Du
class holder ;4_n:XUgo;
{ ;|^fAc~9{r
public : *@ o3{0[Z
template < typename T > @1+/r?b
assignment < T > operator = ( const T & t) const WIGb7}egR
{ t!=S[
return assignment < T > (t); <7&b|f$CL
} k@Tt,.];
} ; cnc$^[c
0PfFli`2;
@<PL
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: 4Oy
c D
_YJw F1e+M
static holder _1; NWpRzh8$u
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 j>T''Tf
!^7:Rr_
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); [V f|4xcD
而不用手动写一个函数对象。 P:=ADW c
Ov|j{}=L=9
%q Q(@TG
5R Hs
四. 问题分析 }Q=Zqlvz
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 _SaK]7}m!
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 a9I8WQ
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 {k*_'0
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 qa~[fORO[
下面我们可以对这几个问题进行分析。 !eq]V9
^
UzF
nW@a
五. 问题1:一致性 at*=#?M1?
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| xpxm9ySwu
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 FX^E |
xr/k.Fz
struct holder TGNeEYr
{ L$xRn/\
// -Gpj^aBU
template < typename T > Dk-L4FS
T & operator ()( const T & r) const c`.:"i"k3
{ r &[~/m8zl
return (T & )r; EyeLC6u
} T82_`u
} ; YZ>cE#
g)9/z
这样的话assignment也必须相应改动: -0`hJ_(
n`,Q:
template < typename Left, typename Right > kUt9'|9!
class assignment %)D7Dr
{ ]| yH8 m
Left l; |- fx
0y
Right r; xD=D *W
public : k +Oq$Pi
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} `O{Uz?#*x
template < typename T2 > W!k6qTz)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } IMZKlU3
} ; ttnXEF
4.'EEuRw\}
同时,holder的operator=也需要改动: + LwoBn>6
>D<=9G(a
template < typename T > t}7wRTG
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const m}9V@@
{ v#|c.<].
return assignment < holder, T > ( * this , t); z aF0nov
} "{_"NjH
VO Qt{v{1|
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 deoM~r9s
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 .y/b$|d,
{yHfE,
return l(rhs) = r; L\ %_<2
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。 xgz87d/<:
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: |^Es6 .~
2M?lgh4"
template < typename Tp > {nefS\#{
class constant_t .6NSt
{ dYd~9
const Tp t; E/ZJ\@gzD
public : [,^dM:E/
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 3kCbD=yF
template < typename T > aS vE
const Tp & operator ()( const T & r) const $O'2oeM
{ <o+
7U
return t; e<4z)
} k~f+L O
} ; iyYY)roB
Wp}9%Mq~Jy
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 `M ygDG+u
下面就可以修改holder的operator=了 _}@n_E
2g6_qsqi
template < typename T > dyzwJ70K
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const s jI[Vq
{ Q!X_&ao)O
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Qz+d[%Q}x
} cqY.^f.
7;'.5,-3c
同时也要修改assignment的operator() 'c0'P%[5A
MQ(/l_=zQ
template < typename T2 > kA%OF*%|6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } )O@^H
现在代码看起来就很一致了。 s}#[*WOc
i @9Qb
六. 问题2:链式操作 `A'I/Hf5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 qTHg[sME
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 (4ci=*3=
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 tH,K\v`f
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 rtL9cw5
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct LnTe_Q7_
fsJTwSI["
template < typename T > SKSAriS~
struct result_1 xrVZxK:!
{ Da8$Is;n
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; y-<PsP-I
} ; {<}I9D5
?PE1aB+{:
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: CESe}^)n
>\7RIy3
template < typename T > &lh_-@Xz
struct ref 3]`qnSYBv
{ !|<f%UO
typedef T & reference; *K jVPs
} ; pmW6~%}*
template < typename T > _X%6 +0M
struct ref < T &> H"FflmUO
{ ( X
'FQ
typedef T & reference; B`Or#G3ph
} ; 1s}``1>
+?j?|G
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: bOxjm`B<
bpF@}#fT
template < typename T > |T$a+lHMD
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const eW"x%|/Q7
{ D;^ZWz0
return l(t) = r(t); vQBY1-S
} dVVvG]
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Ife,h
s
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 [Yx-l;78
/R(U>pZ
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 8g#
Y
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: v[,v{5b
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 >^T,U0T])
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 |P. =
最后的布局是: n$hqNsM
Add HV*:<2P%D
/ \ vN0L(B
Divide 5 a(x.{}uG,
/ \ }uvKE|umj
_1 3 U|
41u4)D
似乎一切都解决了?不。 0K$WSGB?6j
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。 UYcyk
$da
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 M=\d_O#;Z
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: (iCZz{l@~
Nn,vdu{^2
template < typename Right > K{=r.W
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const [I++>4
Right & rt) const '#McY'.D T
{ iO?gF
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); c+E//X|
} SrQ4y`?
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 &v3D" J
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 f#;ubfi"z
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 L_
Xn,
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 sxN>+v11z
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 PtRj9TT
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 4[5lX C
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: Sr ztTfY
g/U$!d_
template < class Action > OUlxeo/
class picker : public Action fz<|+(_>J
{ H;TOPtt2
public : 33{;[/4
picker( const Action & act) : Action(act) {} qXP1Q3
// all the operator overloaded 7E!";HT
} ; ]|C_`,ux
1*! c
X
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。 dr,B\.|jC
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: D% v:PYf
FhY{;-W(T
template < typename Right > ]Efh(Gb]
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const +?"HTDBE||
{ #|{BGVp
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); i_[
HcgT-
} Q8;x9o@p
F1?CqN M
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Ks49$w<
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 d$"G1u~%
jpYw#]Q
template < typename T > struct picker_maker f H#F"^A
{ g)Vq5en*
typedef picker < constant_t < T > > result; "%.|n|
} ; SQdzEF
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > z`86-Ov
{ X\b}jo^96
typedef picker < T > result; a<57(Sf
} ; ;e#>n!<u
{~j /XB
下面总的结构就有了: aWHd}%
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。 (B>yaM#5
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。 p~Yy"Ec;p
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 v{mv*`~nA\
至此链式操作完美实现。 Hl^aUp.c
3JlC/v#0
T =eT^?v
七. 问题3 k8InbX[
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。 2|0Je^$|
;H7EB`
template < typename T1, typename T2 > %K&+~CJE
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const %mK3N2N$
{ 8~&F/C*
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); l]a^"4L4`o
} lF;ziF
=Q/w% 8G
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: W; 3
R;
1?D8|<
template < typename T1, typename T2 > "jl1.Ah
struct result_2 Z-4K?;g'k
{ X;s3y{ku
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ~=`f]IL
} ; =,&u_>Dp
G]L0eV
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? jGk7=}nw
这个差事就留给了holder自己。 ^#a#<8Jz
MAuM)8_P/|
ppwd-^f3j
template < int Order > w$DG=!
class holder; ]yyU)V0Iu
template <> c0!Te'?
class holder < 1 > ?Ia4H
{ Ux_EpC
public : gZw\*9Q9
template < typename T > RE ![O
struct result_1 Du)B9s
{ T$gkq>!j<E
typedef T & result; K:}h\ In
} ; (A7T}znG
template < typename T1, typename T2 > *)j@G:
struct result_2 (/T+Wpy?
{ XoDJzrL#
typedef T1 & result; L/qZ ; {
} ; ,3w I~j=
template < typename T > #rhVzN-?)W
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 2LCc
{ Nbgp_:{
return (T & )r; $se !8s"
} Y;fuh[#
template < typename T1, typename T2 > Am2*-
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const '4af
],
{ }U2[?
return (T1 & )r1; Z7`5x
} I?f"<5[0
} ; kA1RfSS
+V2C}NQ5R
template <> bcq@N
class holder < 2 > -(6eVI
{ .[edln
public : pO\S#GnX
template < typename T > o&CghF
struct result_1 b cC\
{ \ua9thOG
typedef T & result; y.jS{r".
} ; o:Ln._bj
template < typename T1, typename T2 > RM)1*l`!E
struct result_2
]a78tTi
{ qv.[k<~a>
typedef T2 & result; IJ hxE
} ; MNkKy(Za
template < typename T > '"Bex`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const V%i<;C
{ %0NL Rfp
return (T & )r; ;])I>BT[
} dz8-):
template < typename T1, typename T2 > Bfbl#ZkyL
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const jIKBgsiF/
{ j1'\R+4U
return (T2 & )r2; CoKiQUW
} Us1@\|]
} ; !.9l4@z#
5r'=O2AZX
Sq?,C&LsA
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 EJO.'vQ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: C#Y,r)l
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 4DvdEt
.8-PB*vb
return l(i, j) = r(i, j); )8:n}w
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) <inl{CX/
b21}49bHN
return ( int & )i; k"t>He
return ( int & )j; C,[L/!
最后执行i = j; N0]z/}hd@
可见,参数被正确的选择了。 B<A:_'g
_wMc*kjJO
mG
X\wta
3 Q@9S
n1_ %Td
八. 中期总结 @v"T~6M
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: H1Q''$}Z.
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Mk<m6E$L
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 C2NzP & FD
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor {>S4#^@}
ldP3n:7FS
[qSQ#Qzi2i
k9cK bf@
tzZ|S<e6=\
6!@0VI&P
九. 简化 tAaYL
\~
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 *8/VSs
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 6{L F-`S%
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: V!mWn|lf
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 "@(58nk
+-*/&|^等 OO$|9`a
2. 返回引用。 ACgt"
M.3F
=,各种复合赋值等 $\+"qs)
3. 返回固定类型。 \Ph]*%
各种逻辑/比较操作符(返回bool) I I&<
4. 原样返回。 5qGGu.$Ihi
operator, ehU"*9
5. 返回解引用的类型。 ;
/=L
operator*(单目) u]R$]&<
6. 返回地址。 T{ok +$w2
operator&(单目) av$
7. 下表访问返回类型。 ]Uu
aN8
operator[] CK=ARh#|
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Vfb<o"BQk
operator<<和operator>> @?m+Z"o|z
5H~@^!7t
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。 Dp^95V@
例如针对第一条,我们实现一个policy类: #iiwD|
(Bsw/wv
template < typename Left > li@kLh
struct value_return Urn
{ :u
AjV
template < typename T > tO7I&LNE
struct result_1 -E:(w<];
{ n7@j}Q(&?
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; @$Yb#$/
} ; rj}(muM,R
D6Dn&/>Zp
template < typename T1, typename T2 > Rw/Ciw2@?
struct result_2 _$!`VA%
{ pVY4q0@
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; Q@3B{
} ; _g65pxt =Z
} ; &u("|O)w$
sLNNcj(Cy>
ZxI]I1)
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait &eU3(F`.
f
P+QxOz
下面我们来剥离functor中的operator() `6UtxJSx
首先operator里面的代码全是下面的形式: W5|j1He&
) ,yH= 6
return l(t) op r(t) *G\=i
A
return l(t1, t2) op r(t1, t2) E_]k>bf\
return op l(t) loLKm]yV
return op l(t1, t2) A4}#U=3tI
return l(t) op G#|Hu;C6"
return l(t1, t2) op %TDXF_.[
return l(t)[r(t)] IEc>.J|T&
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] 4?
v,wq
?@>;/@
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: !M,h79NM
单目: return f(l(t), r(t)); RNvQ
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); B O]=vH
双目: return f(l(t)); 2Sjt=LOc="
return f(l(t1, t2)); S{-f$Q*
下面就是f的实现,以operator/为例
RvR:e|
a&N