一. 什么是Lambda S(rnVsW%Ki
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 T8x /&g''
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, v[?gM.SF
auM1k]
mM_gOd
-x?|[ +%
class filler +?5Vuc%
{ uVXn/B
public : vY[u;VU
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} %f(4jQ0I
} ; dN){w _
CurU6x1
WMFn#.aY5
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: ;#*.@Or@Ah
h645;sb0
CI+li H
d[E= HN
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); +LF=oM<
]n$ v ^
5cl^:Ua
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 V=+p8nE0
e"Z,!Q^-L
b'xBPTN
+.$:ZzH#
二. 战前分析 2Ns<lh
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。 $0]5b{i]
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 9N|JI3*41
Eh"Y<]$
?pA_/wwp
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); e`5:46k|
/* --------------------------------------------- */ "#{b)!EH
vector < int *> vp( 10 ); AAF;M}le,
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); /N@NT/.M<
/* --------------------------------------------- */ mmMiA@0
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); =sS=
/* --------------------------------------------- */ MJKPpQ(,
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 3[~LmA
/* --------------------------------------------- */ Gr3 q
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); !=+;9Ry$z
/* --------------------------------------------- */ ADMeOdgca
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Q0Gfwl
c{T)31ldW
IY?o \vC
bf\ Uq<&IJ
看了之后,我们可以思考一些问题: q"-Vh,8h
1._1, _2是什么? ~fO#En
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。 ~0vNs2D,S
2._1 = 1是在做什么? &3*r-9BZ
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。 )F0Q2P1I
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。 TdoH((nY
Fo]]j=
bnE&-N*
三. 动工 O[=W%2I!i
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \;"S>dg
F<)f&<5E-
@Z96902<t
0BOL0<Wq
template < typename T > tV7{j'If
class assignment frWY8&W^H
{ $% W.=a'5
T value; zS?DXE
public : 4XeO^#
assignment( const T & v) : value(v) {} 4U[X-AIY&
template < typename T2 > nH[>Sff$
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } HaOSFltf#
} ; Z,F1n/7
r&XxF>
zaE!=-U
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 *mN8Qd
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment a$LoQ<f_
TQ5kT?/{
Q2!RFtXV
Q%t
_Epe
class holder
O@rZ^Aa
{ vLCm,Bb2L
public : dBW4%Zh
template < typename T > 4_4|2L3
assignment < T > operator = ( const T & t) const g#5t8w
{ I;mc:@R<
return assignment < T > (t); 'RR,b*Ql
} ?Y9VviC
} ; YJwffV}nd
};cH5bYF
S @)P#
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: %@;xbKj
o7AI
static holder _1; `1R[J4e
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 +ZRm1q
L_>LxF43
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); McvLU+
而不用手动写一个函数对象。 ay28%[Q b4
JOki4N
a & 6-QVk
I>>X-}
四. 问题分析 dp:5iuS
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 {|Fn<&G
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 QRER[8]r$
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 o^BX:\}
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Vb~;"WABo
下面我们可以对这几个问题进行分析。 l+O\oD?-
]Vf2Mn=]"
五. 问题1:一致性 SLud}|f;o
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?| 9cMMkOM J
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Ude)$PAe%
P;e@<O
struct holder ?/KkN3Y_j[
{ H"|oI|~
// ;{g>Z|
template < typename T > A@ w9_qo
T & operator ()( const T & r) const v<?k$ e5
{ PO=A^ b
return (T & )r; x
~@%+d
} pz/vvH5
} ; Ak2Vf0E b
?&.Eg^a"
这样的话assignment也必须相应改动: "o<&3c4
&s&Ha{(!w
template < typename Left, typename Right > SwhArvS
class assignment e\]CZ5hs3
{ 1ka58_^
Left l; DZ5h<1
Right r; _[J>GfQd
public : bw[K^/
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {}
~&_BT`a
template < typename T2 > cA+O]",}
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } }4xz, oN
} ; }h\]0'S~J~
4&E&{<;
同时,holder的operator=也需要改动: p,#**g:
qTnk>g_oS&
template < typename T > K.6xNQl{}
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const :D=y<n;S+
{ _ud!:q
return assignment < holder, T > ( * this , t); Eb\SK"8
} })ic@ Mmd$
$
?YSAD1
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。 ':T6m=yv
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 TfFH!1^+
7p,!<X}%
return l(rhs) = r; m?<5-"hz
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。 &$_#{?dPt
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: 1=Q3WMT
IZ+ZIR@}ci
template < typename Tp > 1${Cwb/F
class constant_t " G0HsXi
{ xA"7a
const Tp t; ^g
n7DiIPH
public : Qx[
nR/
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} $:0?"?o);
template < typename T > <ApzcyC
const Tp & operator ()( const T & r) const @jH8x!5u:
{ .cg"M0
return t; _gP-$&JC
} Z_?r5M;
} ; LgoUD*MbQ
ITEd[
@^d
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 :8Jn?E (36
下面就可以修改holder的operator=了 >*[Bq;
7_AcvsdW
template < typename T > 4[m4u6z=
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const EX,)MU
{ HVcd< :g0
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); uVV;"LVK~
} <*74t%AJ%
-$_h]x*
W
同时也要修改assignment的operator() Fu#mMn0c
$ ~2qEe.h
template < typename T2 > KdkZ-.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } )I9W a*I
现在代码看起来就很一致了。 a`uHkRX
)U
{t<U:*n2
六. 问题2:链式操作 ]abox%U=%
现在让我们来看看如何处理链式操作。 _l!TcH+e
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。 +;wu_CQu
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。 /YH5s=
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。 ih/MW_t=m=
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct HESORa;
j`kw2(
template < typename T > A{b?ZT~2]
struct result_1 Dz>v;%$S-
{ E;^~}
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; gdyP,zMD7
} ; QBfsdu<@^
'Ijjk`d&c
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: !&OybjQ
Z'L}x6
template < typename T > ~T<o?98
struct ref y%x2
{ `?R~iLIAq
typedef T & reference; U.HeIJ#
} ; !FVXNl
template < typename T > +gQoYlso
struct ref < T &> %rZJ#p[e)=
{ l~V^
typedef T & reference; F2$Z4%x#
} ; }^
j"@{~
Lz'05j3!
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 2,O;<9au<
Lg[_9`\
template < typename T > h tn?iLq
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Dk XB
{ RwC1C(ZP
return l(t) = r(t); #(G#O1+
} LE:nmo
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。 kmXaLt2Z
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 .oFkx*Ln
Cp2$I<T
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 @<
@\CiM
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: P}+-))J
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 8}kY^"*&X
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 I?mU _^no
最后的布局是: `:XrpD
Add sA u ;i
/ \ Vg)]F+E
Divide 5 ovn)lIs
/ \ ^gpswhp
5
_1 3 *MFsq}\ $
似乎一切都解决了?不。 hDJ84$eVZ
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 E%vG#
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 <|'C|J_!
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: cR+9^DzA
45;{tS.z,B
template < typename Right > CYZx/r<
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ta-kqt!'
Right & rt) const jJF(*D
{ Qr4c':8
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ^Fr82rJs
} W=$d|*$
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 6R+m;'
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。 $(ugnnJ*
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。 Jn_; cN
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。 gL+8fX2G6
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。 \*0ow`|K
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? |3?q L
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: O)qedy*&
'K=n}}&:
template < class Action > \)?[1b&[_
class picker : public Action \?_eQKiZ3
{ H *gF>1
public : G#&R/Tc5N
picker( const Action & act) : Action(act) {} >d&_e[j
// all the operator overloaded 0N~AQu
} ; x7=5 ;gf/X
rQ^$)%uP
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 p}j$p'D.RI
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: n)(E 0h
XO*62>Ed
template < typename Right > JR1/\F<}
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 9:!<=rk
{ P7;=rSW
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); (dxkDS-G
} (q!tI*}
|7V:~MTkk&
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > xA-O?s"CY
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。 RSLMO8
*t'qn
template < typename T > struct picker_maker TM8WaH
{ t7#C&B
typedef picker < constant_t < T > > result; UGNFWZ c
} ; {]aB3
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 'G!w0yF
{ \h DH81L
typedef picker < T > result; LB|FVNW/S
} ; p-H q\DP
h[SuuW
下面总的结构就有了: DbdxHuKa>
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。 !YlyUHD
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。 jj,Y:
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 E }aTH
至此链式操作完美实现。 5fK#*(x
LY%`O#i.
Cebl"3Q
七. 问题3 M~Yho".
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。 o:<gJzg
,[rh7_
template < typename T1, typename T2 > `CP}1W>
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const z}vgp\cuT
{ _h4{Sx
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ]~:9b[G2
} t0*JinKI
yp=(wcJ
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: D&f(h][hH?
}4PIpDL
template < typename T1, typename T2 > XY]|OZ7(
struct result_2 xeqAFq=9?
{ 3"HpM\A{A=
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; L`%v#R
} ; 9 |Cu2
w\U
fq
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? I^pD=1Y]
这个差事就留给了holder自己。 /jdq7CF
B1]dub9
Re3vW re
template < int Order > 1/>#L6VAZ
class holder; IT a8*Myj
template <> _C3l2v'I$
class holder < 1 > P>/n!1c
{ V45\.V
public : A+Nf]([
template < typename T > u:r'jb~@
struct result_1 1=x4m=wV
{ A ^YHtJ
typedef T & result; i?uJ<BdU[
} ; %UuV^C
template < typename T1, typename T2 > eJ+V!K'H2
struct result_2 3+gp_7L
{ /
lh3.\|
typedef T1 & result; 5UE5;yo
} ; kK2x';21
template < typename T > &u-H/CU%
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const JHpaDy*
{ @GzEhv
return (T & )r; R=jIVw'
} u9Wi@sO#
template < typename T1, typename T2 > :jB8Q$s
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z `FqC
{ m&xyw9a
return (T1 & )r1; Ti`H?9t
} ` V}e$
} ; [,s{ /OM
Gma)8X#
template <> md_9bq/w
class holder < 2 > x35(i
{ +@),Fk_
public : [ay~l%x
template < typename T > }Wf \\
struct result_1 1{B^RR.
{ Fj<#*2{]B
typedef T & result; "G\OKt'Z
} ; HCHZB*r[
template < typename T1, typename T2 > q.6$-w
struct result_2 PYDf|S7
{ qrBo'@7
typedef T2 & result; VkCv`E
} ; TY[{)aH{S
template < typename T > &KC^Vn3Nj
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const t0XM#9L
{
Xk[;MZ[
return (T & )r;
1<RB} M
} n5i#GvO^
template < typename T1, typename T2 > V3O<l}ak
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const D&q-L[tA@
{ iJ
HOLz"!
return (T2 & )r2; H~1&hF"d
} -g'[1
} ; p!<Y 'G
wjGD[~mB
1A;>@4iC0
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ;C=C`$Q
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: tZR%s
首先 assignment::operator(int, int)被调用: :d7Ju.*J
`N%q^f~
return l(i, j) = r(i, j); ^<fN
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) oTj9 /r
d4h1#MK
return ( int & )i; n gA&PU
return ( int & )j; swv1>52{
最后执行i = j; GaMiu!|,
可见,参数被正确的选择了。 |IL..C
MY11 5%
epa)~/sA
.K>rao'
6XPf0Gl
八. 中期总结 {f;]
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: 9mW95YI S
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 / $7E
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 ZW\}4q;[A
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor .^BL7
W$=MuF7R
j}NGyS" =
[5$=G@ zf
Q C?*O?~#
dLQV>oF
九. 简化 A7!!kR":
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。 :=u Ku'~
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 c}K>#{YeB
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: R(Y4n w+Y-
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Q%6Lc.i
+-*/&|^等 Ht.0ug
2. 返回引用。 >q0c!,Ay
=,各种复合赋值等 $ftcYBZa
3. 返回固定类型。 [ix45xu7
各种逻辑/比较操作符(返回bool) sV{M#UF2
4. 原样返回。 HhkubG)\
operator, b=<xzvy
5. 返回解引用的类型。
V_*TY6
operator*(单目) nzI}w7>VU
6. 返回地址。 _l}"gUti w
operator&(单目) cX'&J_T+
7. 下表访问返回类型。 c%,~1l
operator[] VHhW_ya1g{
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 H6Q1r[(B
operator<<和operator>> %,Fx qw
][R#Q;y<
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 NQCJ '%L6
例如针对第一条,我们实现一个policy类: wIT0A-Por4
p-QD(+@M
template < typename Left > fy at-wbb
struct value_return K1c@]]y)
{ noz&4"S.{
template < typename T > 7U_~_yb
struct result_1 G&FA~c
{ h\GlyH~
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; 1RC(T{\x
} ; u'"VbW3u n
J}IHQZS
template < typename T1, typename T2 > lqPzDdC^>
struct result_2 gKK*`
L~
{ )sg@HFhY'
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; j_2-
} ; xf/
SUO
F
} ; *3_@#Uu7
+/ ,J$(
nY7
ZK
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait !o
A,^4(
kae&,'@JF
下面我们来剥离functor中的operator() {MK.jw9/
首先operator里面的代码全是下面的形式: 4f+R}Ee7
G?\\k[#,&
return l(t) op r(t) u*/.
return l(t1, t2) op r(t1, t2) Ar@"
K!TS
return op l(t) 5[\mwUA
return op l(t1, t2) 6`$HBX%.K
return l(t) op 0&!,+
return l(t1, t2) op __Ei;%cV
return l(t)[r(t)] -:w+`x?XaB
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] }lZfZ?oAz
k`H#u, &