一. 什么是Lambda al Rz@N
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ipu~T)}
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, ,&,XcbJ
>Ch2Ep
Zah<e6L
-ik$<>{X
class filler @[FO;4w
{ iaMl>ua
public : t(UBs-t
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} M`7lYw\Or!
} ; @ebY_*
k3LHLJZ#
YO.ddy*59
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 0{d)f1
&9gI?b8
KY2z)#/
kb$Yc)+R4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); <bJ|WS|
"WY5Pzsi:
V9KRA 1
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。
9Pvv6WyKy
[#aJ- Uu
\Dr( /n
,W'P8C
二. 战前分析 ;<o?JM
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。 @@3NSKA
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 $2]>{g
t0<RtIh9e
>t9DI
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 2ETv H~23
/* --------------------------------------------- */ MYJMZ3qBi
vector < int *> vp( 10 ); 1e9~):C~W
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); J10 /pS
/* --------------------------------------------- */ C5KUIOg
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); k g(}%Ih
/* --------------------------------------------- */ asQ^33g z
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); SPe%9J+
/* --------------------------------------------- */ cAx$W6S
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ,ZYPffu<*
/* --------------------------------------------- */ }] 1C=~lC
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); `)8SIx
|BtFT
jc32s}/H
+u |SX/C
看了之后,我们可以思考一些问题: lP4s"8E`h
1._1, _2是什么? Rm_+kp@\
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。 &D|+tu{
2._1 = 1是在做什么? Qo]qs+
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。 Dm?:j9o]g
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。 d=\TC'd"{
:rk6Stn$z
Ii3F|Vb G
三. 动工 vytO8m%U
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 7#&Q-3\:
y9T5
f6(1jx"
7^!iGhI]r
template < typename T > xqDz*V/mD
class assignment CG35\b;Q
{ ;xFB
/,
T value; /A>nsN?:]
public : av'[k<
assignment( const T & v) : value(v) {} #
dUi['
template < typename T2 > Q"!GdKM
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } lkp$rJ#6
} ; `.~*pT*u
0<<ATw$aQ
E&"V~
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 s[7/w[&
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment O#{`Fj`
GAs.?JHd
svt3gkR0
[tC=P&<
class holder 2h@&yW2j
{ ww+,GnV
public : A&ceuu
template < typename T > Rb^G~82d?
assignment < T > operator = ( const T & t) const B<.ZW}#v
{ EZp >Cf7
return assignment < T > (t); mTL`8hv?
} ;eW)&qzK
} ; AYsHA w
j5smmtM`s
Vvv;m 5.
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: Gy6x.GX
YoK )fh$
static holder _1; LF{8hC[
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 m}beT~FT_
^mut-@ N9
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); !F Zg'
9
而不用手动写一个函数对象。 C0^r]^$Z
$EdL^Q2KAy
fU.z_T[@
nb*`GE
四. 问题分析 7pyaHe
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 s|[qq7
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 <&((vrfa
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 3/c%4b.Z
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 s I 0:<6W
下面我们可以对这几个问题进行分析。 `4Fw,:+e
m,5?|J=
五. 问题1:一致性 lG[j,MDs
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| qJ~fEX
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 7?vj+1;
@L 6)RF
struct holder )g^O'e=m
{ pUu<0a^
// h>Z`&
template < typename T > _0ZBG(
T & operator ()( const T & r) const (7$BF~s:,
{ 9@nd>B
return (T & )r; * vqUOh
} [{>1wJ Pdj
} ; g^jTdrW/s
X<v1ES$
这样的话assignment也必须相应改动: _1YC9}
=L?2[a$2;
template < typename Left, typename Right > ^oE#;aS
class assignment u2[L^]|
{ ?O]RQXsZ2
Left l; hdmKD0
Right r; 7^d7:1M
public : \W\*'C8q\
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} i{Du6j^j
template < typename T2 > gC_KT,=H;
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ttBqp|.?S
} ; U?5G%o(q
:FmH=pI!=
同时,holder的operator=也需要改动: .F$cR^i5u
bFH`wLW
template < typename T > \#N?
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const r'o378]=
{ f)r6F JLU
return assignment < holder, T > ( * this , t); 50T^V`6
} P%!=Rj^ 2m
Cm"S=gV
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。 /cvMp#<]
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 f'M([gn^_
i;juwc^n}
return l(rhs) = r; EiZa,}A
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。 "-rqL
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: y(^\]-fE
W|s";EAM
template < typename Tp > M7&G9SGZ
class constant_t P>`|.@
{ hR.vJ2oa
const Tp t; 5/CF_v
public : RU>qj
*e
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} U9
mK^
template < typename T > 0f'LXn
const Tp & operator ()( const T & r) const 59+KOQul6
{ ":GC}VIS
return t; dB:c2
} iHvWJ<"jR
} ; uW!saT5o
# nAq~@X
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 1i)3!fH0:
下面就可以修改holder的operator=了 Jz P0D'
Cbm^:
_LR
template < typename T > } .<(L
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const "I9 r>=
{ Zp9kxm'
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); >6)|>#Wi
} lJT"aXt'M
}Fox
同时也要修改assignment的operator() f"zmN G'
<~:2~r
template < typename T2 > T4[/_;1g
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 1083p9Uh
现在代码看起来就很一致了。 ovDPnf(
sc6NON#
六. 问题2:链式操作 j9vK~_?;
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Q7tvpU
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。 $ \o)-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。 tvq((2
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。 #l7v|)9v
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct B<a` o&?
eg1F[~YL/
template < typename T > ,(f W0d#
struct result_1 -8<vW e
{ {esb"beGLa
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; xH}bX- m
} ; 25@@-2h @
-~X[j2
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: 6E9/z
ZE~zs~z|
template < typename T > (XY`1|])`
struct ref kQQDaZ8
{ uU^iY$w
typedef T & reference; Xil;`8h
} ; Wcm8,?*
template < typename T > {Qn{w%!|
struct ref < T &> LhM$!o?W
{ (mKH,r
typedef T & reference; *;~u 5y2b
} ; U=U5EdN;
AYpvGl'
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: (oG.A
j-DWz>x
template < typename T > tV>qV\>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const N]6t)Zv
{ -|>T?
t'K
return l(t) = r(t); EbVva{;#$;
} %H,s~IU
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。 nj0]c`6rN@
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 siT`O
z|,
G#^0Bh&
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 kRBO]
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: =;b3i1'U
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 qd#7A ksm
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ,VSO;:Z
最后的布局是: c"pOi&
Add P8ZmrtQm
/ \ Y:, rN
Divide 5 <gfRAeXA
/ \ vLyazVj..
_1 3 a7453s
似乎一切都解决了?不。 %~gI+0HK
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。 7mMMVz2
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。 cO5zg<wF
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: +mzLOJed
$bFK2yx?=
template < typename Right > zNdkwj p+
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ASre@pW
Right & rt) const 5,g +OY=\
{ v\@RwtP
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); PLMC<4$s
} Ki7t?4YE
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ,sL%Ykr
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。 ws^Ne30 R
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。 ' VKD$q
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 :."oWqb)
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 n+te5_F
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? jlFlhj:/I
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: di0@E<@1:
L$.3,./
template < class Action > 0 yq
class picker : public Action 't0M+_J
{ j%^4
1 y
public : Y?3tf0t/
picker( const Action & act) : Action(act) {} hpPacN
// all the operator overloaded y$SUYG'v
} ; |5O>7~Tp
$~W5! m
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 &} `a"tYr
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: s.Ai_D
6$'*MpYF4
template < typename Right > 5)eM0,:
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const v$Hz)J.01
{ zyUS$g]&
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); MGt>:&s(]
} #
#2'QNN
ck5cO-1>6
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > c@3 5\!9
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。 [|=M<>?[
=DDKGy.g
template < typename T > struct picker_maker nReld
:#T
{ vZ"gCf3#?3
typedef picker < constant_t < T > > result; m m`#v
g,
} ; E5M/XW\E6
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > !]82$
{ C&MqH.K
typedef picker < T > result; dS4z Oz"
} ; J ~3m7
t^FE]$,
下面总的结构就有了: fx[&"$X
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。 1BZ##xV*:G
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。 3Z=yCec]
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 ;p`to"6IFD
至此链式操作完美实现。 Zd>sdS`#r
QOSMV#Nw%
P=jsOuW
七. 问题3 4Z~ nWs
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。 -bzlp7q*
5~@-LXqL
template < typename T1, typename T2 > aaT3-][
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const cK u[4D{
{ UGy3B)
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); to</
} ,.>9$( s
C9sU^]#F
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: Vb\g49\o/
8X"4RyNSn
template < typename T1, typename T2 > Zja3HGL
struct result_2 AG=PbY9
{ 0P9\; !Y
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; dR1IndZl
} ; *YvtT(Gt
R P<M
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? ,#3Aaw
这个差事就留给了holder自己。 EHm*~Sd
e,_Sj(R8
0lg'QG>
template < int Order > (4/"uj5
class holder; $Z#~wsw
template <> }%/mPbd#
class holder < 1 > XNJZ~Mowb
{ #xGP|:m
public : j;]I
-M[
template < typename T > vHcl7=)Q
struct result_1 6dr'nP
{ \EVT*v=}/
typedef T & result; x,25ROaHY
} ; y
2>
93m
template < typename T1, typename T2 > -6kX?sNl)X
struct result_2 D5P-$1KPt
{ jc9C|r
typedef T1 & result; Xpg-rxX
} ; .eD&UQ
template < typename T > -(:T&rfTp
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const M*gvYo
{ ue@/o,C>
return (T & )r; 9S@x
} #&Tm%CvB
template < typename T1, typename T2 > |nx3x
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const xz!0BG
{ !<:Cd(bM
return (T1 & )r1; ;QXg*GNAv$
} :5%98V>02
} ; bTimJp[b
C`i#7zsH
template <> l+"p$iZs
class holder < 2 > 5_E8
RAG
{ Eb[;nk?
public : t;w<n"
template < typename T > <PDCM8
struct result_1 ";rXCH.
{ )Su>8f[?e
typedef T & result; `D[O\ VE
} ; IdAh)#)
7
template < typename T1, typename T2 > yO%^[c?
struct result_2 ?m]vk|>
{ Dnw^H.
typedef T2 & result; {. 9BG&
} ; B1 }-
template < typename T > /'jX_
V_$|
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const + m-88
{ #ay/VlD@
return (T & )r; NgyEy n
\
}
QvZ"{
template < typename T1, typename T2 > {TNORbZz
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const U,i_}O3Q
{ piM4grg
\
return (T2 & )r2; YXWDbr:JX
} m)p|NdTZc8
} ; (dSYb&]
)\u%XFPhS
G]rY1f0
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/Io.d
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: MygAmV&
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 9
fB|e|
'9f0UtT|[
return l(i, j) = r(i, j); MN2i0!+
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) /io06)-/n
N~$>| gn
return ( int & )i; 5HOl~E
return ( int & )j; J"AR3b@,$?
最后执行i = j; ~@c<5 -`{
可见,参数被正确的选择了。 c%pf,sm'
$~FZJ@qa
Hj{.{V
8*0QVFn$
Bp7p X
八. 中期总结 Li5&^RAo|J
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: .|[{$&B
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 NuR7pjNMZ
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 :38{YCN
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor d|RUxNjM-J
*xNc^&.
wx3_?8z/O
<K^a2 D
?3BcjD0
J "I,]
九. 简化 @h|qL-:!vG
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。 L/:l>Ko>7
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 3!p`5hJd
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: Q ")Xg:
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 >IaGa!4
+-*/&|^等 >ZOlSLu
2. 返回引用。 5m~9Vl-&
=,各种复合赋值等 $XQgat@&]
3. 返回固定类型。 \09A"fs{
各种逻辑/比较操作符(返回bool) fVn4=d6X
4. 原样返回。 Yg.[R]
UC
operator, HZ'rM5Kq
5. 返回解引用的类型。 F@Sk=l(
operator*(单目) z<5 5[~3
6. 返回地址。 2@tnOs(*
operator&(单目) 9k;,WU(K<
7. 下表访问返回类型。 aU(.LC
operator[] o C|oh
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 s*Qyd{"z
operator<<和operator>> y-+W
N0S^{j,i
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 iG54 +]
例如针对第一条,我们实现一个policy类: KUU{X~w
=OO4C
template < typename Left > }lp37,
struct value_return Uwkxc
{ htbE
Q NW
template < typename T > I;'{X_9$a
struct result_1 Nt$4;
{ ]YI9
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; eX#.Zt]
} ; &qg6^&
yx|iZhK0:}
template < typename T1, typename T2 > GrG'G(NQ
struct result_2 gV.? Myy
{ ^o5;><S]
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; rB".!b
} ; 1+*sEIC "
} ; 5/n L[4Z
phH@{mI
sA?8i:]O:
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait j2,sI4
ZJ%NZAxy
下面我们来剥离functor中的operator() ^(:~8 h
首先operator里面的代码全是下面的形式: E:8*o7
BmV`<Q,
return l(t) op r(t) 8
*f9
return l(t1, t2) op r(t1, t2) 5.VPK 338A
return op l(t) =?C <