一. 什么是Lambda jd;=5(2
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 1gp3A
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, 9wLV\>i[k
wI+oG
c1j)
=re1xR!E5
class filler YH`/;H=$G/
{ Gy36{*
public : CFJ F}aW
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} zn5
} ; x1)G!i
O`e0r%SJ
oD,f5Ci-
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: A3%s5`vNvH
>'#G$f
$rf4h]&<
dbGW`_zQ4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); ]E90q/s@c
84[T!cDk
T2#
W=P
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 LPbZ.
(j-[m\wF
L{$ZL &
C)>
])'S
二. 战前分析 gBRhO^Sz
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。 )f4D2c&VE
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 {N+N4*
F,#)8>O
Yo:l@(
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 8:,E=swe
/* --------------------------------------------- */ =p>"PqJ/7n
vector < int *> vp( 10 ); P/._ tQu6
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); y|!%C-P
/* --------------------------------------------- */ Xui${UYN
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); &F"Mkyf
/* --------------------------------------------- */ yTw0\yiO
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); r@+IDW.=9
/* --------------------------------------------- */ 4%O*2JAw
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); lp5`Kw\
/* --------------------------------------------- */ Fz7(Kuc
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); #ej^K |Qx
FKflN
07-S%L7Z
Uh}n'Xd#{}
看了之后,我们可以思考一些问题: P8.tl"q
1._1, _2是什么? "HFS5Bj'
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 +M%i3A
2._1 = 1是在做什么? -!(
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 *W q{ :k
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 S1^u/$*6
#=R) s0j"
9&5\L
三. 动工 @YmD 79
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: ann!"s_
'Omi3LXfDT
^\ &:'$f+8
]H7_bix
template < typename T > j.4oYxK!s/
class assignment cA ;'~[
{ W?{:HV
T value; pRmnS;*z&
public : Lys4l$J]
assignment( const T & v) : value(v) {} =flgKRKk.r
template < typename T2 > y|b|_eE?{
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } B+|E|8"
} ; p8y_uNQE
ws5x53K
&NV[)6!
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 (5?5? <
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment Okca6=2"
0B)l"$W[)/
#"d.D7nA
d
-6[\S#
class holder _GK^ 7}u
{ Q17"hO>kC
public : ZC3b9:tk
template < typename T > &|P@$O>
assignment < T > operator = ( const T & t) const N]: "3?%
{ v,r}q1.E}
return assignment < T > (t); XhFa9RC
} ke|v|@
} ; 94%gg0azp
I jN3 jU
';??0M
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: e;pVoRI
vTjgW?9
static holder _1; R|H9AM
~E
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 "!XeK| Wi
m}0US;c#f
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); OlhfBu)~
而不用手动写一个函数对象。 NAhV8
ed*Cx~rT
'n I2RX
!*u5HVn
四. 问题分析 I})la!9
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。 ?HVsIAU
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。 ]CH@T9d5V
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 v vlfL*f
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 4NbX!"0
下面我们可以对这几个问题进行分析。 S5d:?^PGg
RH ow%2D
五. 问题1:一致性 )H$Ik)/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?| sj2v*tFb
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 l.1)%q&@^
B?-RzWB\3
struct holder +Uq9C-Iu
{ g~.,-V}
// Y5=~>*e
template < typename T > MQE=8\
T & operator ()( const T & r) const ,T"pUe VJ
{ ]P$8# HiX
return (T & )r; *wP8)yv7
} +FQ:Q+
} ; #})Oz| c
TW).j6@f
这样的话assignment也必须相应改动: g}IdU;X$NT
8+
eZU<\B(
template < typename Left, typename Right > i9k7rEW^
class assignment RGhl`;
{ o^4qY
Left l; <1&kCfE&
Right r; xq=+M!V
public : rui}a=rs
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} hSaS2RLF
template < typename T2 > 9:A>a3KOH
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 1O45M/5\o
} ; I!jSAc{
M! gX4
同时,holder的operator=也需要改动: :q~qRRmjBe
"$+naY{w
template < typename T > '0X!_w6W
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const Q l%7wrK
{ +@]1!|@(
return assignment < holder, T > ( * this , t); n<8$_?-
} Xn"n5=M
m0 ]LY-t
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。 *x`z5_yfO
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 FFbMG:>:
<.$<d
return l(rhs) = r; cGkl=-oQ'
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。 R%aH{UhE`
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: b@^M|h.Va
lZ0+:DaP2
template < typename Tp > 52m^jT Sx
class constant_t v Q+}rHf`[
{ 3k;U#H
const Tp t; vi4 1`
public : /`\-.S9
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} vPmP<c)cb
template < typename T > yr&oJYM
const Tp & operator ()( const T & r) const \bQ|O7s
{ 7;;W{W%
return t; zA&0H
} ,M7sOp6}
} ; f Otrn
/2>-h-zBjw
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 rZu_"bcJ
下面就可以修改holder的operator=了 u>&\@?(
H; TmG<S
template < typename T > cLr? B;FS
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const <Ml,H%F
{ (m)%5*:
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); $DA0lY\
} @[=*w`1
Q[J,j+f<
同时也要修改assignment的operator() L)8 +/+
}S*6+4
template < typename T2 > FPaj
p
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } -J[zJ4z#
现在代码看起来就很一致了。 *^Zt5 zk
t8i"f L
六. 问题2:链式操作 gywI@QD%#
现在让我们来看看如何处理链式操作。 *Q!b%DIa$
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。 hNDhee`%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。 (N;Jw^C@
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。 (&x~pv"+
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ?[RG8,B
^+`vh0TPQ
template < typename T > t)cG_+rJ
struct result_1 G]P4[#5
{ :U)e
8
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; bcM#KA
} ; *Z{$0K
1"/V?ArfL
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: + A0@#:B
x ?^c:`.
template < typename T > Z6D4VZVF
struct ref <g*rTqT'
{ FT|*~_@
typedef T & reference; iM8hGQ`
} ; zNE!m:s
template < typename T > yqejd_cd
struct ref < T &> 'Dat.@j
{ LWVO%@)w
typedef T & reference; wW%I < M
} ; `W]a
@\EYA
@;rVB
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: *uEU9fX
S
BFhC
template < typename T > Y\+^\`Tqu
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const _
<>+Dk&
{ cYbO)?mC_
return l(t) = r(t); +D
h=D*
} I]k'0LG*^
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。 {_q2kk
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 46XB6z01
N23s{S 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
}rO4b>J
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: MO _9Yi
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 AP@xZ%;K
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 N.64aL|1
最后的布局是: 'h81\SKFK9
Add >hQR
/ \ +vU.#C_2
Divide 5 -g@pJ^>:
/ \ hA@X;Mh^w
_1 3 @W.`'b-
似乎一切都解决了?不。 :+R5"my
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。 dt5gQ9(B
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。 wSAm[.1i
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: E_H1X'|qS4
qL'3MY.!
template < typename Right > W2<X 5'
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const I?fE=2}9
Right & rt) const
:lE7v~!Z
{ &1Y+q]
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); \]9;c6(
} #5H@/o8!s=
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 EXBfzK)a
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。 vaQ,l6z
.h
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。 S;t~"87v*
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。 +?.,pq n<=
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。 F;b|A`M
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? mdZELRu
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: qnA:[H;F
yjSN;3t71
template < class Action > -"cN9RF
class picker : public Action WEsH@
[
{ C$tSsw?A
public : ':>B%k
picker( const Action & act) : Action(act) {} hCDI;'ls
// all the operator overloaded ,h>w %
} ; :?p{ga9
+]>a`~
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 bkM$ Qo
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: z N
t7DK
/tUl(Fp J`
template < typename Right > 4/h2_
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Gt1Up~\s
{ t]` 2f3UO
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); q@\_q!
} sbs"26IE
xv*mK1e
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > gRFC n6Q
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。 iM956 3v
V\G>e{
template < typename T > struct picker_maker A]J^{h0k
{ hD,-!R
typedef picker < constant_t < T > > result; AzV5Re8M
} ; wH`@r?&
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > n;=A'g|Q
{ e7qT;
typedef picker < T > result; t/$xzsoJZr
} ; lvN{R{7>
oby*.61?5l
下面总的结构就有了: ;?[~]"
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 [a`i{(!
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 5{5ABV
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 x'KsQlI/
至此链式操作完美实现。 OP&[5X+Y
D!P?sq _5r
XMdc n,
七. 问题3 wiGwN
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 ]lo1Kw
~mp$P+M(%p
template < typename T1, typename T2 > HUghl2L.<
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const |")x1'M
{ ##5/%#eZ
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 35>}$1?-6
} K$
&wO.
IF:M_
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: '-vyQ^
d"78:+
template < typename T1, typename T2 > &8pXkD#A
struct result_2 W<4\4
{ O)Qz$
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; k$c
j|-<
} ; HZm
i?
F[u%t34'
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? `#f=&S?k
这个差事就留给了holder自己。 X\x9CA
HFr3(gNj@
W'jXIO
template < int Order > .ndQ(B
class holder; )
b10%n^
template <> /RM-+D:Y
class holder < 1 > 78)^vvn5~
{ #H`y1zm
public : 4I*Mc%dD
template < typename T > {H V,2-z
struct result_1 j 7URg>i0
{ vR$5ItnT
typedef T & result; G!8pF
} ; hBhkb ~Oky
template < typename T1, typename T2 > 0f^.zt{T
struct result_2 ?U08A{ c
{ dLf8w>i`T
typedef T1 & result; !j9i=YDb
} ; 3(+#^aw
template < typename T > MPbPq3an
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const rbPs~C-[
{ wF8\
return (T & )r; h<;[P?z
} %>2t=)T
template < typename T1, typename T2 > g i'agB^
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 0@lC5-=
{ TEyx((SK
return (T1 & )r1; n-3j$x1Ne
} Ki/5xK=s
} ; ^~qs-.?
oh~
vo!
template <> ACO4u<M)
class holder < 2 > 2?iOB6
{ Ok~{@\
public : @z)tC@
template < typename T > \.P}`Bpa
struct result_1 qYZ7Zt;
{ 4V|z)=)A
typedef T & result; Ln2C#Uf
} ; otf%kG w
template < typename T1, typename T2 > C'/M/|=Q#
struct result_2 Z,!Xxv;4
{ =8p+-8M[d
typedef T2 & result; 7.
9s.*
} ; `.(S#!gw
template < typename T > c4>sE[]
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const '$h@
{ I.+)sB?5
return (T & )r; ht3T{4qCS
} 8o7]XZE=)
template < typename T1, typename T2 > )^f9[5ee
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 6~h1iY_~
{ xSDE6]
return (T2 & )r2; MIlCUk
} MAe<.DHY
} ; _SIs19"lR
bI]UO)
f:[d]J|
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> >。 w}W@M,.^
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: &O6;nJEI
首先 assignment::operator(int, int)被调用: m/hi~.D9
r` `iC5Ii
return l(i, j) = r(i, j); AqbT{,3yW
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) c >
mu)('U
frmqBC VJ:
return ( int & )i; {8#N7(%z
return ( int & )j; K>R;~
o
最后执行i = j; m-'(27
可见,参数被正确的选择了。 R8[iXXjku
#i +P(xV
Qw<kX*fxrI
K rr?`n
$}^\=p}X
八. 中期总结 I*W9VhIOV
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: d@6:|auO
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Ukx/jNyYv
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Sz|Y$,
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 85%Pq:E
u1;e*ty
X(!AI|6Bt
hr<7l
C
QypiF*fSU
l:zU_J6
九. 简化 ;.nP%jD
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
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 ]]J#7L#
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: ]cF1c90%
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 /<(*/P,>
+-*/&|^等 ']d!?>C@o
2. 返回引用。 #1QX!dK+
=,各种复合赋值等 cg(QjH"
3. 返回固定类型。 gx!*O<|e4
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 943I:, B
4. 原样返回。 >a&