一. 什么是Lambda w%cd$"EH
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 6hSj)
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, + )?1F
>?yaG=
q('O@-HA
OqDLb
class filler x+(h#+F
{ JoA^9AYhR
public : m~\BkE/[l
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} e9h T
} ; K z !-w
Q"CZ}B1<
MP?9k )f
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: 1i9}mzy%
-[~ UX!XFM
.O'S@ %]
Yt2_*K@rC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); e J>(SkR:[
|sHIT<=m
.x$+7$G
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 nH*U
vk+TWf
{m F:m5e
+o)S.a+7
二. 战前分析 n.,\Z(l|0
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 Y_S^B)y
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ["GC
b&p*IyJR
?s(%3_h
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); UNq!|
/* --------------------------------------------- */ |UM':Ec
vector < int *> vp( 10 ); 3*64)Ol7t]
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 0R<@*
/* --------------------------------------------- */ nCEt*~t9VE
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); FJo N"X
/* --------------------------------------------- */ It!%/Y5
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); I(/W+o
/* --------------------------------------------- */ -O3^q.
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); r#rQ3&Vn
/* --------------------------------------------- */ #b []-L!
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); o`\l&jUNe
^V v7u@y
Afo(! v
^x%yIS
看了之后,我们可以思考一些问题: ~!j1</$_
1._1, _2是什么? gA~BhDS
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。 ?Jm/v%0O
2._1 = 1是在做什么? Zse3e
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。 b&~rZ
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。 K
4I ?1
$I~=t{;"XV
Lp20{R
三. 动工 ~R7rIP8Wr
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: /s
uz>o\
e-H:;m5R
25*/]iu
S #%'Vrp
template < typename T > ,ju 1:`
class assignment 8$-Wz:X&
{ MOP
%vS
T value; P~iu|j
public : PX52a[wNDH
assignment( const T & v) : value(v) {} "EF:+gi#"
template < typename T2 > ItHKpTer
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } wx
BQ#OE
} ; ^o,Hu#
eI; %/6#
;2kiEATQ
1
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 `,Q
uO
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment dgE|*1/0
o\1"ux;b
`Z>4}<~+
:}FMauHh
class holder .
[+ObF9=
{ Y(78qs1w
public : 37x2fnC
template < typename T > YN9ug3O+
assignment < T > operator = ( const T & t) const FVT_%"%C9
{ ]pl g@
return assignment < T > (t); '81$8xxdY
} ,sP7/S)FR
} ; _;W}_p}q{
m*|3
2sjV*\Udf
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: -o6K_R}R
h|m h_T{+
static holder _1; *5sr\b4#S
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 "d/x`Dx
B4pheKZ2
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 5G'X\iR
而不用手动写一个函数对象。 ^4x(a&
*bDuRr?v9
#?YQ&o~gZ
9yajtR
四. 问题分析 DoX#+
07u4
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 =et=X_3-
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 ]zmY]5
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 X8<<;?L
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 b)(#/}jMkD
下面我们可以对这几个问题进行分析。 @G^]kDFM{
r75,mX
五. 问题1:一致性 {6~v oVkj
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| E@hvO%
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 <w+K$WE {
HGs.v}@&
struct holder v0jRoE#
{ 4&!`Yi_1L
// }I}Rq D:`
template < typename T > x,@cU}D
T & operator ()( const T & r) const Jj*XnL*
{ ,;y5Mu8
return (T & )r; hZVF72D26
} vi["G7
} ; .AH#D}m
;t:B:4r(j
这样的话assignment也必须相应改动: "639oB
?lnX."eAdB
template < typename Left, typename Right > us"SM\X#
class assignment uNxR#S
{ xV}E3Yj2#
Left l; !3v!BJ#+,&
Right r; }?$d~]t)
public : y+_GL=J
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} tcSn`+Bu_`
template < typename T2 > h<4WY#Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } SWY?0Pu
} ; QB'-`GwL
:-xp'_\L
同时,holder的operator=也需要改动: hdQ[=PH)
5 .0BaVwi
template < typename T > =PP]LDlJs
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 0yfmQ=,X
{ &7,Kv0j}
return assignment < holder, T > ( * this , t); CSRcTxH
} z,87;4-
}N#jA yp!
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 s7tNAj bgD
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 15x~[?!
d2&sl(O
return l(rhs) = r; `][~0\Y3m
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 6vQAeuz<Fq
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类:
,u-i9`B
fCJ:QK!
template < typename Tp > s+2\uMwf*
class constant_t J1cD)nM<A
{ XG@_Lcv*
const Tp t; \vT0\1:|i
public : 8RVNRV@g%
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 2shr&Mfp[
template < typename T > m@;X%wf<U
const Tp & operator ()( const T & r) const UN'hnqC
{ CtTG`)"|
return t; ?9mFI (r~
}
1t+]r:{
} ; oil s;*q
R{NmWj['Mg
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 'C]zB'H=
下面就可以修改holder的operator=了 _&DI_'5q+
^SpD) O{
template < typename T > WpP8J1KN[
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 8b8ui
{ K
I
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Fx~=mYU
} cR 4xy26s
Q%o ]&Hdn
同时也要修改assignment的operator() ,+3l9FuQ
KRd.Ubs -
template < typename T2 > lRi-?I|~9
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } GC?\GV
现在代码看起来就很一致了。 {# ;e{v
e-sMU
六. 问题2:链式操作 _M8Q%
现在让我们来看看如何处理链式操作。 !`hiXDk*2
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 @`G_6<.`
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 -PbGNF
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 afqLTWUS
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 1y$Bz?4
=SA@3)kHH
template < typename T > IVzJ|
struct result_1 ,@tYD(Z
{ \m1r(*Ar
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; lsCD%P
} ; wA|m/SZx
0R\lm<&
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: k?0yH$)'t
.n[!3X|d
template < typename T > ,
?WTX
struct ref x$QOOE]
{ )?^0<l#s
typedef T & reference; }\|$8~
} ; 0$b)@
template < typename T > X@:pys 8@
struct ref < T &> 9n]zh-
{ AH{]tE
typedef T & reference; ..UmbJJ.u
} ; tu#VZAPW@
),v[.9!}:
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: /Z';#G,z
wQgW9546
template < typename T > <%#M&9d)E
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const F-k3'eyY
{ P6&@fwJ<
return l(t) = r(t); zGHP{a1O7
} j!B+Q
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。 F&<si:}KB
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 `YVdIDl]
YK!nV ,
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 f;!1=/5u-
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: L#Uk=
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ^8Tq0>n?
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 1`)ie%=
最后的布局是: fWhw I+
Add }OZ%U2PU
/ \ U+CZv1
Divide 5 C=2
/ \ Iz*'
_1 3 f9W@!]LHJ
似乎一切都解决了?不。 ?M.n 9|}y
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。 fNPHc_?Ybj
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。 qX^#fk7]
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: N%v}$58Z
mjO4GpG3
template < typename Right > .xS3,O_[
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 0%+S@_|
Right & rt) const dnTB$8&
{ #56}RV1
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Eqc&iS~
} TCYjj:/
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 -lV]((I&
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 G7yCGT)vQ
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 lyNa(3
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 ?
acm5dN
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 _)
k=F=
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? 3 GmU$w
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: [g`9C!P-G
e`
Z;}&
,
template < class Action > A&*lb7X
class picker : public Action ()e.J
{ +dq&9N/
public : ];i-d7C
picker( const Action & act) : Action(act) {} ) (unL`y
// all the operator overloaded fDt#<f 4;
} ; 6My=GByC
xy)Y)yp
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。 u&yAMWl
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: qgg/_H:;w
nd*9vxM
template < typename Right > 23?\jw3w
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const T4dLuJl
{ k FE2Vv4.
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); NBEcx>pma
} 1wP#?p)c
9g3e( z@
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > zs|R#?a=
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。 0$NcxbM
S
L<P`H|
template < typename T > struct picker_maker Vp{! Ft8>
{ A:PQIcR;V
typedef picker < constant_t < T > > result; Wd#r-&!6j
} ; /tR@J8pV
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > "| cNY_$&s
{ d
4w+5H"u
typedef picker < T > result; FDBj<uXfM|
} ; J}U); A
;#$ 67G$
下面总的结构就有了: H&\[iZ|-N
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。 d.Wq@(ZoA
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。 aNLRUdc.
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 H_RV#BW&
至此链式操作完美实现。 l/0"'o_0v#
xO?w8 *d
.RFijr
七. 问题3 Gx/sJ(
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。 _^K)>
IaMZPl
template < typename T1, typename T2 > XgL-t~_
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const C^9G \s'
{ Ks'msSMC
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); reseu*5
} dz@L}b*
jo-jPYH T
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: #^%HJp^
$I*ye+a*{q
template < typename T1, typename T2 > :cU6W2EV
struct result_2 I/4:SNha
{ NwPGH=V
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; j#L"fW^GM
} ; s|B
4M4Y2fBH
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? DP{kin"4I
这个差事就留给了holder自己。 K8`Jl=}z%&
[ u7p:?WDW
!SRElb A;i
template < int Order > )y>o;^5'
class holder; xPMTmx?2
template <> v0uDL7
class holder < 1 > Mh
[TZfV
{ IIrh|>d_7
public : ?pSb,kN}'
template < typename T > eaLR-+vEB
struct result_1 RhwqAok|lj
{ U8TH} 9Q
typedef T & result; U9^o"vT
} ; z }?*1c
template < typename T1, typename T2 > |dNJx<-
struct result_2 FvpaU\D
{ <ua` WRQr
typedef T1 & result; @CGci lS=
} ; dJyf.VJ
template < typename T > X*f#S:kiNU
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const C>l{_J)n
{ ' cM2]<
return (T & )r; me-Tv7WL
} .Uk ejx
template < typename T1, typename T2 > |e{F;8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const K
@x4>9 3n
{ MzUNk`T @
return (T1 & )r1; !J#oN+AR
} 7G6XK
} ; )@lZ~01~d
2?vjj:P+h
template <> BG ]w2=
class holder < 2 > 2"0q9 Jg
{ }E[u" @}
public : ;Q YUiR
template < typename T > 0_nY70B
struct result_1 *B<Ig^c
{ 7oUecyoj
typedef T & result; kpF")0qr
} ; %LI[+#QE
template < typename T1, typename T2 > Gg'sgn
struct result_2 JH3$G,:zM
{ |5J'`1W
typedef T2 & result; GxH]
} ; %{M_\Ae#
template < typename T > IQz"FH?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const {jyI7r#X
{ {WokH;a/
return (T & )r; `Wc"Ix0
} ZiR },F/
template < typename T1, typename T2 > }~B @Z\`O
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const h?t#ABsVK
{ ~nQ= iB
return (T2 & )r2; K<k!sh
} 9Yu63s ia
} ; ~!V5Ug_2
=f48[=
9E`WZo^.
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> >。 LWH(bs9U
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 18`YY\u(
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ?E>(zV1D/
VkFvV><"
return l(i, j) = r(i, j); F7f psAt7
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) %E<.\\^%
U%.%:'eV=
return ( int & )i; MH wjJ
return ( int & )j; 4o/}KUu(*
最后执行i = j; g5",jTn#
可见,参数被正确的选择了。 Z<_"Tk;!',
,K/l;M5I
XK*55W&og
s&Bk@a8
^nO0/nqz]
八. 中期总结 xi+bBqg<.K
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: <@F.qMl
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 ig-V^P
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 0iKSUwps
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor "+0Yhr ?
2OA0rH"v
cWp5' e]A
W;Pdbf"
3VI[*b
S['rfD>9
九. 简化 g?7I7W~?`
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。 kjj4%0"
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 d#tqa`@~
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: i`nmA-Zj[
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 a *hWODYn
+-*/&|^等 yr;~M{{4
2. 返回引用。 Q>ZxJ!B<k
=,各种复合赋值等 VtTTvP3
3. 返回固定类型。 Ym% $!#
各种逻辑/比较操作符(返回bool) O c,E\~
4. 原样返回。 ?&gqGU}
operator, 3p+V~n.+
5. 返回解引用的类型。 TTDcVG_}
operator*(单目) )a7nr<)aU
6. 返回地址。 z`Jcpt
operator&(单目) eq"
eLk6h
7. 下表访问返回类型。 mM[KT}
A
operator[] .8GX8[t
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 :eH*biXy}2
operator<<和operator>> }]<Ghns
xmM!SY>
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。 'VMov
例如针对第一条,我们实现一个policy类: dCb7sqJ%
;c/|LXc\
template < typename Left > pftnFOLO
struct value_return $q$G
{ ~cf*Oq
template < typename T > -n:~m
p
struct result_1 AT:L&~O.
{ i?3~Gog
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; " jBc5*
} ; u?Uu>9@Z
Tqf:G4!
template < typename T1, typename T2 > +GYO<N7
struct result_2 ,J$XVvwxF
{ **G5fS.^W
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; k#g` n3L
} ; f,} (=
u
} ; /!i`K{
w=QlQ\
1u~CNHm
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait sk%Xf,
69"4/n7B?
下面我们来剥离functor中的operator() u\y$<
首先operator里面的代码全是下面的形式: mEZHrr J
s+-V^{Ht
return l(t) op r(t) {i^F4A@=Z
return l(t1, t2) op r(t1, t2) C>:,\=y%
return op l(t) R<<