一. 什么是Lambda @>9p2u)=
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 "j a0,%3
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, Ve8!
==XP}w)m
9)l_(*F
n~&R_"mv(
class filler k9Sqp:l,
{ q6Q=Zo@
public : }qD.Ek
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} _yWH\5@
} ; Y$ChMf
W;N/Y3Lb
jujx3rnK?
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 4{vd6T}V!
Xl/G|jB9
ZM#WdP
:T\WYKX3C
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 7@lXN8_f
9iF e^^<ss
i`>X5Da5
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 li%-9Jd
42wcpSp
MtYP3:
5pok%g
二. 战前分析 "qj[[LQ
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 `5 6QX'?
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 )2FO+_K?T
pt4xUu{
poe Xi\e!(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); OpL 6Y+<
/* --------------------------------------------- */ w//w$}v
vector < int *> vp( 10 ); }=|ZEhtOp
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); -1_Z*?=-
/* --------------------------------------------- */ {cv;S2
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); _#gsR"FZ$
/* --------------------------------------------- */ bY2Mw8e%
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); lXPn]iLJ
/* --------------------------------------------- */ 4 P;O8KA5y
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); U2AGH2emw
/* --------------------------------------------- */ vLS9V/o
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); !X8UP{J)L
=P#!>*\ar
\a6)t%u
%f-<ol
看了之后,我们可以思考一些问题: $dnHUBB
1._1, _2是什么? &!a2%%1#N
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 lBn*G&(P
2._1 = 1是在做什么? m4DH90~a8
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 5HbTgNI
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 Eo Urc9G2
3EZw F
=CVT8(N*
三. 动工 [;=ky<K0E
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: cLU*Tx\
yo.SPd="Vx
,>UmKrYo
*i{.@RX?
template < typename T > 8QN8bGxK
class assignment d*>k
]X@G
{ Yy)a,clZ*$
T value;
`_'Dj>
public : 3kQ ^f=Wd
assignment( const T & v) : value(v) {} >slN:dr0:
template < typename T2 > (RmED\.]4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } :(b3)K
} ; 8e@JvAaa$
7S2F^,w
|+:ZO5FaO
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 z{g<y^Im+E
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment >Y'yM4e*
_;q-+"6L;
`fkrik
?03Zy3/
class holder 2jZ}VCzRG
{ iy82QNe
public : 3=l-jGJk
template < typename T > sOxdq"E
assignment < T > operator = ( const T & t) const t60/f&A#7H
{ .:ZXtU
return assignment < T > (t); &iOtw0E
} 93Gur(j^
} ; 3K!0 4\
y+scJ+<
is?&%VY
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: _<a)\UR
j$|C/E5?
static holder _1; >ij4z
N
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 /V<`L
t MZ(s
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); $l;tP
而不用手动写一个函数对象。 DiQkT R
GQ0 (&I
%B&?D@
I*t)x,~3
四. 问题分析 3t8H?B12ow
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。 /Z "
4[
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。 U9o*6`"o
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Hs}"A,V
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 DsW`V~T
下面我们可以对这几个问题进行分析。 8Qz7uPq
6&QTVdK'O
五. 问题1:一致性 2Ml2Ue-9
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?| 0bxvM
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ,okJ eZ
`O=;E`ep
struct holder z#J/*712
{ WQLL[{mhS
// TJ[jZuT:
template < typename T > 0*;9CH=BE
T & operator ()( const T & r) const DVoV:pk
{ q&$0i
return (T & )r; 3d'ikkXK
} y [9}[NMZ
} ; 06@0r
To8v#.i
这样的话assignment也必须相应改动: }Q=se[((
M}oj!xGB
template < typename Left, typename Right > e3={$A h
class assignment Z^`=!n-V
{ g}
~<!VpX
Left l; 3:8nwt
Right r; :iQ^1S`pH
public : fI
d)
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} ,c7u
template < typename T2 >
iRwW> a3/
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } u4#~
i0@
} ; u1|P'>;lF
e=]oh$]
同时,holder的operator=也需要改动: 30(m-D$K>9
8cBW] \ v
template < typename T > 3Ra\2(bR
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const S[hJ{0V
{ <,X+`m&
return assignment < holder, T > ( * this , t); ]b~2Dap
} YV3TxvXMR
1yaIV+_y/
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。
~\:j9cC
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 V0'p1J tD
.FbZVY c]
return l(rhs) = r; h>^jq{yu
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。 :
9?Cm`
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: c7l!G~yx'
So\| Ye
template < typename Tp > >_0 i=.\
class constant_t Q"6hD?6.
{ #:vDBP05.m
const Tp t; qgC-@I
public : 4=F]`Lql
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} `\|3
~_v
template < typename T > KB,~u*~!
const Tp & operator ()( const T & r) const @Uj_+c
q
{ ]k`Fl,"
return t; 4'{hI;&a&
} 3^A/`8R7K
} ; ngkeJ)M0$
O^R:_vb3I
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 SCh7O}
下面就可以修改holder的operator=了 61+pryW%g
%$Jqt
template < typename T > V:(w\'wm
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const l\sS?
{ 2 -p
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); jgo<#AJ/E
} f.$aFOn
^!o1l-Y^gr
同时也要修改assignment的operator() 1IF'>*
C DnR
template < typename T2 > j""y2c1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } .,ppGc|*
现在代码看起来就很一致了。 "doU.U&u
_8x'GK
tU
六. 问题2:链式操作 ;vI*ThzdD
现在让我们来看看如何处理链式操作。 |auX*hb9
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。 1O]5/Eu
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。 f1CMR4D
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。 !rsa4t@t
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct |?2 hml
RI5g+Du?
template < typename T > lC /Hib
struct result_1 ET,0ux9F
{ 0V>ESyae5
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; X@bn??
} ; %<=w [*i
.o\;,l2
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: \`P2Yq
4Wi8$
template < typename T > 9+'@
struct ref M|[@znzR<
{ h+B'_`(
typedef T & reference; ?`N57'iPb
} ; l`v
+sV^1
template < typename T > 3XAp Y'
struct ref < T &> \tiUEE|k
{ `'[7~ Ew[
typedef T & reference; WbC0H78]
} ; oeu|/\+HW
daA47`+d
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: )]c]el@y
LXh@o1
template < typename T > KJ0xp hf
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const L@1,7@
{ J$6-c'8
return l(t) = r(t); 8 l'bRyuS
} >bX-!<S
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 b(.-~c('
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 H9Y2n 0
e(OwS?K
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 6m, KL5>W
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: Ism^hyL
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ]k::J>84
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 z`emKFbv
最后的布局是: 97qtJ(ESI
Add 5"-una>D
/ \ }
*
?n?'
Divide 5 &\J?[>EJ.
/ \ V-D}U$fw
_1 3 Sk6b`W7$
似乎一切都解决了?不。 ;mf4U85
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。 %XEKhy
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。 0On?{Bw
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: qYgwyj=4
kfMhw M8kP
template < typename Right > QHHW(InG<
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ~")hE%Kl}
Right & rt) const (R4PD
{
sBP}n.#$
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); LJRg>8
} ZNzR`6}
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 kq) +@p
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。 1s{ISWm
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 @{E{
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。 ]}mly`Fw
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。 d\~p5_5.
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? :r1;}hIA9
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: U}tl_5%)
x4CtSGG85f
template < class Action > *'UhlFed
class picker : public Action 0K=Qf69Y
{ CCbkxHMf|!
public : W4)kkJ
picker( const Action & act) : Action(act) {} 0Y2\n-`z
// all the operator overloaded g\ErJ+i
} ; 5SoZ$,a<e
|ZvNH ~!
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。 Uj4Lu
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: $x?NNS_ "J
pyUNRqp
template < typename Right > iBG`43;
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 1 L+=|*:
{ A)\>#Dv
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ;;ER"N
} "KMLk
jrIA]K6
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > `^v4zWDK
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。
S304ncS|M
u9TzZ
template < typename T > struct picker_maker HG2N-<$
{ -'I _*fu
typedef picker < constant_t < T > > result; k4S} #!
} ; l%rx#;=u
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > cqeR<len
{ /SnynZ.q
typedef picker < T > result; mgy"|\]
} ; {F'Az1^I=
T#\p%w9d
下面总的结构就有了: J__;.rnk
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。 ykxbX
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。 q^Z~IZ8IT
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 'Pf_5q
至此链式操作完美实现。 LYp'vZ!
Nc{]zWL9
Uh>.v |P6
七. 问题3 wb]*u7G
t/
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。 aGpCNc{+
Hl4\M]]/&
template < typename T1, typename T2 > ddoST``G
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const HV ;;
{ D,MyI#
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Ej'
7h~ =v
} Z`rK\Bc
>4,{6<|
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: %PzQ\c
'nMApPl
template < typename T1, typename T2 > A^pu
struct result_2 p?;-!TUv
{ ;_iPm?Y8
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; -<_7\09
} ; ue@8voZhS/
WElrk:b
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? jRofG'
这个差事就留给了holder自己。 R4V \B
HzE1r+3Q@
WNhbXyp_
template < int Order > SC'BmR"ox
class holder; ^Z2kq2}a
template <> , 7Xqte
class holder < 1 > *9J1$Wa
{ hL0]R,t;'
public : !L77y^oV
template < typename T > z/S,+!|z
struct result_1 O7v]p
{ M:_!w[NiLp
typedef T & result; Xtft*Z
} ; 5^>n5u/
template < typename T1, typename T2 > ^OF5F8Tf/
struct result_2 |=\91fP68`
{ NH'iR!iGo
typedef T1 & result; mG_BM/$
} ; <{giHT
template < typename T > Rvvh{U;t
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const s|Zx(.EP
{ 8zZSp
return (T & )r; ^;zWWg/d
} [G a~%m
template < typename T1, typename T2 > &eIGF1ws
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const m=QCG)s
{ vh
&GIb
return (T1 & )r1; Ivsb<qzG
} rR]-RX(
} ; J^fm~P>.
PPa^o8jd
template <> +e'X;
class holder < 2 > _S"f_W
{ 71O3O7
public : E:FO_R(Xq
template < typename T > 8Y#bN*!
struct result_1 %w7m\nw@
{ ZW*n /#GUC
typedef T & result; JvkL37^n:
} ; h~w4, T
template < typename T1, typename T2 > W
(`c
struct result_2 azo0{`S?
{ < A?<N?%o
typedef T2 & result; v)):$s?WB
} ; ^YKy9zkTl
template < typename T > Ziz=]D_
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const '&by3y5w-3
{ pCC 7(Ouo
return (T & )r; Pd~MiyO;K
} J{Tq%\a3
template < typename T1, typename T2 > zE`R,:VI
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const $}R$t-
{ Pr+~Kif
return (T2 & )r2; /s
c.C
} cXN _*%
} ; -#?<05/C>
kZVm1W1
=-~;OH/
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> >。 aI(>]sWJ
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: '# z]M
首先 assignment::operator(int, int)被调用: WJ+>e+
kq-6HDR
return l(i, j) = r(i, j); gWrAUPS[
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) %6ub3PLw8
Sdd9Dv?!
return ( int & )i; h1+hds+
return ( int & )j; ?t rV72D
最后执行i = j; PJgp+u<
可见,参数被正确的选择了。 )"`!AerJ
o>c^aRZ{
+l?; )
U,;xZe
S#8>ZwQ
八. 中期总结 :gI.l1
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: ;=jr0\| e
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 l#bAl/c`
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 wAYB RY[
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ?a.+j8pbGg
0{) $SY
XM~~y~j
%f&< wC
V U~Dk);Bv
^#e~g/
九. 简化 _:J*Cm[q
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 q\$6F)ha3
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ;(6P6@+o
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: Qw)9r{f
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 Bct"X#W|&
+-*/&|^等 |(% u}V?
2. 返回引用。 }
/:\U
p
=,各种复合赋值等 ~}% ~oT
3. 返回固定类型。 ?m;;D'1j
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 7m1KR#j
4. 原样返回。 Q\kub_I{@
operator, Sm|(
5. 返回解引用的类型。 m)&znLA
operator*(单目) SEF6B45}1
6. 返回地址。 \#dl6:"
operator&(单目) Q M1F?F
7. 下表访问返回类型。 F#V q#|_)>
operator[] q'S
=Eav8
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 w1|Hy2D`0
operator<<和operator>> MZv\ C
i$UQbd
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。 HJhH-\{@
例如针对第一条,我们实现一个policy类: {3edTu
.~klG&>aV
template < typename Left > ;D2E_!N
dt
struct value_return |4b)>8TL/
{ uS5o?fg\e
template < typename T > j9y3hQ+q
struct result_1 ?IYY'fS"
{ $L}aQlA1JM
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; &