一. 什么是Lambda $
x:N/mMu`
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 wTD}c1J(
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, 2]<.m]
y Vp,)T9
yM `u]p1
rvlvk"
class filler Se_]=>WI
{ ;?k<L\zaw
public : 8ok=&Gq4
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} g60k R7;\
} ; l2kGFgc
DJ DQH \&
h!ogH >S~
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: damG*-7Svx
tS>^x
$_iE^zZaU^
4&=</ok6`0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); JEk'2Htx
DR{O.TX
3@qv[yOE
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 7nPcm;Er
FZ?:BX^
5.*,IedY
? 3OfiGX?
二. 战前分析 l^d' 8n
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 >[Wjzg
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 0k{\W
=@0J:"c
YVwpqOE.=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Xl<iR]lda
/* --------------------------------------------- */ 641P)
vector < int *> vp( 10 ); bU}v@Uk
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); x\U[5d
/* --------------------------------------------- */ x1?mE)n]
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); _U} vKm
/* --------------------------------------------- */ .1q}mw
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); hHhDs>tB
/* --------------------------------------------- */ p #{y9s4h
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); J8!2Tt
/* --------------------------------------------- */ {x?qz~W
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); i6KB\W2
Q3(ulgl]
J_h.7V
I8YUq
看了之后,我们可以思考一些问题: &
Wod
1._1, _2是什么? tj'~RQvO
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 \yu7,v
2._1 = 1是在做什么? -2; 6Pwmv
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 6^WNwe\
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 bY2R/FNL=
vUVFW'-
y^,Q M[ &
三. 动工 '.1P\>x!]
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 4"k &9+>
~f(5l.
/wLGf]0
W-l+%T!
template < typename T > xa@$cxt
class assignment X!qK[b@Z
{ o0]YDX@T
T value; nj'5iiV`]
public : O-X(8<~H=
assignment( const T & v) : value(v) {} Xg96I:r'p
template < typename T2 > :Y\ ~[Y
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 0M"n
} ; W`_JERo
S)rr
60vmjm Xl
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 E<Zf!!3
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment jkx>o?s)z
jel:oy|_
}q`9U!v
X'jyR:ut#
class holder <@"rI>=
{ +7}^Y}(
public : aWIkp5BFj
template < typename T > &U7v=a
assignment < T > operator = ( const T & t) const 88~Nrl=co
{ o 2Nu@^+
return assignment < T > (t); [M[<'+^*
} 8Y.qP"s
} ; v*?8 :>:}
!i) !|9e
v?OVhV
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: $G`CXhbl
\ s aV8U7B
static holder _1; pOXI*0_g.
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 "D
_r</b
=^rt?F4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); lc[6Mpi7s[
而不用手动写一个函数对象。 ywAvqT,
dGYR
'x
M; wKTTQy
c$!?4z_.
四. 问题分析 Qc3d<{7\~
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。 7K\v=
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。 SG)Fk *1
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。
C '(
Y
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 <#h,_WP*
下面我们可以对这几个问题进行分析。 z3uR1vF'
S-S%IdL
五. 问题1:一致性 `!vqT 3p,
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?| `FPQOa*%3
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 5G}4z>-]F)
}ouGxs+^[
struct holder {&n- @$?
{ ~i"=:D
// F<,pAxl~@
template < typename T > 3p=Xv%xd
T & operator ()( const T & r) const x(TF4W=j
{ uaF-3
return (T & )r; oZiW4z*Wh
} k~8-Eu1
} ; m"n74cxS
hn8xs5vN
这样的话assignment也必须相应改动: ,2fi`9=\
]ZcivnN#
template < typename Left, typename Right > x
vs=T
class assignment MW7~=T
{ * @4@eQF
Left l; 9fEe={ B+
Right r; H%O\4V2s
public : Y1-dpML
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [7I bT:ph
template < typename T2 > _u[tv,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 1?Y>Xz
} ; )XDBK*!
HDHG~<s
同时,holder的operator=也需要改动: -i`jS_-Cv-
.7.lr[$g
template < typename T >
`Eh>E,
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const teJt.VA7)
{ uCDe>Q4@/
return assignment < holder, T > ( * this , t); jsN[Drr a
} { LvD\4h"
N:<$]x>
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。 '5BD%#[
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 W~
~'
i<"lXu
return l(rhs) = r; 1,wcf,
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。 XGB\rfvS
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: @ b!]Jw
o pTXI*QA
template < typename Tp > ^v;)6a2
class constant_t Y)1/fEM
{ `j>5W<5q\
const Tp t; ^cYB.oeu
public : %]4Tff
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} g{Hgs
template < typename T > /TpTR-\I0
const Tp & operator ()( const T & r) const *D?_,s
{ $X#y9<bW
return t; y!=,u
} 7[1Lh'u
} ; SboHo({5VA
/}m)FaAi
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 sF
{,n0<8
下面就可以修改holder的operator=了 `9^tuR,
|{ N{VK
template < typename T > PR@6=[|d
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const KR>)Ek
{ h^\vk!Q-d
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); AM}2=Ip
} ;ek*2Lh
,&_H
同时也要修改assignment的operator() X<%D@$
Oh! {E5!)
template < typename T2 > (Mk7"FC7
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } gHe:o`
现在代码看起来就很一致了。 \V>5)Rn
0vv~G\yM
六. 问题2:链式操作 0nb%+],pX
现在让我们来看看如何处理链式操作。 TF8#I28AD
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。 p3M!H2W
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。 j9+4},>>CU
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。 8gS7$ EH'
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct e$~[\
w
wo@ T@Ve~
template < typename T > \l59/ZFan
struct result_1 uN`/&_$c
{ 8qyEHUN2q
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; YbZbA >|
} ; 0fOhCxtL@
8%9 C<+.R
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: /.SG? 5t4
MKBDWLCB
template < typename T > c2P}P* _
struct ref j.q}OK
{ AQ'%}(#0
typedef T & reference; I){4MoH.
} ; ,P a*; o\
template < typename T > J'%i?cuV
struct ref < T &> O <Rh[Aqn
{ `==l2AX
typedef T & reference; yD3}USw
} ; U ]<l-~|
y\skke]
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: G=:/v
yNvAT>H
template < typename T > QL7b<xDQC*
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const Tc^
0W=h
{ }Fjbj5w0
return l(t) = r(t); c~R'`Q
} Xd(^7~i
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。 Jy(G
A
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 GL
n M1
;u<Ah?w=Z
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 <X)\P}"L4
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: /*#o1W?wQZ
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 ^FLs_=E
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 :{%[6lE^G
最后的布局是: 2^o7 ^S
Add es)^^kGj6f
/ \ tkj-.~@g0'
Divide 5 "Vp
nr +6
/ \ 9B0ON*`
_1 3 .!o]oM
U/
似乎一切都解决了?不。 4#IT" i
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。 2VN].t:
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。 hZJ~zx~
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: ray3gM%JLj
-#ZLu.
template < typename Right > *`H*@2
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ,6>3aD1w~q
Right & rt) const =z'(FP5!0
{ c""&He4zp
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); uPfz'|,
} ZO<,V
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 `DYhGk
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。 S`kOtZ_N n
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。 Pxr/*X
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。 >PA*L(Dh%
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。 3F;C{P!
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? 0+CcNY9
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: 7"(Zpu
`>sOOA
template < class Action > D{+@ ,C7B
class picker : public Action u$d[&|`>_
{ <\#'o}
public : ?06gu1z/
picker( const Action & act) : Action(act) {} 5Y *4a%"
// all the operator overloaded 6|eqQ+(A
} ; Tw-NIT)
WGv 47i
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。 \ptO4E
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: DkWp
J+P<zC
template < typename Right > tW UI?\
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const <wSJK
{ "-&K!Vfs
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); y RxrfAdS
} Vgj#-7bdyi
a
8k2*u
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > V}s/knd
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。 _.JQ h
L3%frIUd
template < typename T > struct picker_maker {xZY4b2
{ `H! (hMMV
typedef picker < constant_t < T > > result; ?,pwYT0g
} ; NTu|cX\R
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > j=O+U_w
{ .aNh>`OT'
typedef picker < T > result; >kQp@r\nQ
} ; n#P>E(K
9)VAEyv
下面总的结构就有了: )-4c@
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。 Xe_ <]|
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。 D)PX |xrn
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 E*YmHJ:k
至此链式操作完美实现。 B=cA$620
Ic0Sb7c
/GgID!8
七. 问题3 <O+GXJ2
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 a}@b2Wc*
4!/QB6
template < typename T1, typename T2 > ?,$:~O*w
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const d~<$J9%
{ d_`MS@2
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ":/c|!
} C98F?uo%Q
?g ,s<{
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: !gkr?yhE
A;d@NOI#,K
template < typename T1, typename T2 > |qX?F`
struct result_2 a[K&;)
{ L/u|90)L
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; +ayC0
} ; LaJvPOQ
J&aN6 l?
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? $]|3^(y``
这个差事就留给了holder自己。 gCghWg{S
]H/,Q6Q
gkmof^
template < int Order > U;bx^2<m
class holder; N*A*\B%{x'
template <> Iy_5k8]
class holder < 1 > AZ!/{1 Az
{ i*|HN"!
public : @|:fm()
<
template < typename T > 8|Tqk,/pD
struct result_1 :gsRJy1
{ |mH* I
typedef T & result; ya2sS9^T[
} ; 4XAB_Q
template < typename T1, typename T2 > fn<dr(Dx
struct result_2 yP]>eLTSd
{ /H<{p$Wd
typedef T1 & result; HAH\#WE
} ; U
'{PpZ
template < typename T > &0T.o,&y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const x@Gg fH<l
{ Y7S1^'E
3
return (T & )r; dz@+ jEV
} nq_$!aB_K
template < typename T1, typename T2 > 9fX0?POG
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Z RjM^
d;
{ aA?Qr&]M
return (T1 & )r1; 7u"Q1n(h/
} %i\rw*f
} ; CNRSc4Le
XgxO:"B
template <> 7Q!ksp
class holder < 2 > [7><^?t
V
{ diXWm-ZKL
public : #f(a,,Uu'
template < typename T > "7sv@I_j
struct result_1 : ?f+*
{ QP(d77n
typedef T & result; pBAAwHD
} ; `RY}g;
template < typename T1, typename T2 > c7+6[y DVE
struct result_2 [lIX&!T"
{ )y]Dmm
typedef T2 & result; _!2lnJ4+5
} ; |4DN2P
template < typename T > N@PuC>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;\th.!'rn
{ #_ulmB;
return (T & )r; Ho(MO!(
} \L>XF'o
template < typename T1, typename T2 > #eYYu2ND
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const (g;O,`|c,
{ `n6cpX5
return (T2 & )r2; Y9mhDznS
} Gw)y<h
} ; PZ/tkw
~xG/ yPl
V(cU/Aia^
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 yPmo1|'X>d
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 3F,M{'q
首先 assignment::operator(int, int)被调用: ;jxX /c
~0CNCP
return l(i, j) = r(i, j); [`tOhL
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 4(,.<#
1o5kP,)
return ( int & )i; 0VvY(j:hp
return ( int & )j; ~d&&\EZ
最后执行i = j; &DGqY5=
可见,参数被正确的选择了。 %(s|
=X(N+(1~
\@PMj"p|:
i$pUUK
X,3"4 SK
八. 中期总结 YAR$6&
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: ExS&fUn`C
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 P[aE3Felk
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 t[k ['<G
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor h<3bv&oI .
Rm3W&hQ
zecM|S _
!_Y%+Rkp0
&=t~_ Dc
+;!^aNJ,
九. 简化 eAO@B
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 G>^= Bm_$
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 )2"WC\%
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: 8r}tf3xMCM
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 zx)}XOYf
+-*/&|^等 <O)
if^
2. 返回引用。 L]=mQo
=,各种复合赋值等 s
j-oaWt
3. 返回固定类型。 =WN8><K!
各种逻辑/比较操作符(返回bool)
$o9^b
Z
4. 原样返回。 oTk\r$4eb
operator, f`vWCb
5. 返回解引用的类型。 vy
[7I8f{
operator*(单目) c-zW
2;|61
6. 返回地址。 l
operator&(单目) FM3.z)>
7. 下表访问返回类型。 0<A*I{,4L
operator[] fC"?r6d
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 <> HI(6\@Z
operator<<和operator>> D0\*WK$
%>nAPO+e
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。 F6{
O
例如针对第一条,我们实现一个policy类: _0 [s]
QBmARQ
template < typename Left > k K/>,Eg
struct value_return s'/_0
{ /hg^hF
template < typename T > 11S{XbU
struct result_1 `$4wm0G|
{ %b
pQ=
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; Hv"qRuQ?[
} ; z+fy&NPl
\xOYa
template < typename T1, typename T2 > cooicKS7
struct result_2 *W=1yPP
{ Qt"jU+Zoy
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ko!]vHB9`
} ; fZs}u<3Q)
} ; r
'ioH"=
1=_?Wg:
4J9Y
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait 9~ V(wG
(CAVOed
下面我们来剥离functor中的operator() ,o2x,I
首先operator里面的代码全是下面的形式: ).Z
U0fV
f U<<GK70
return l(t) op r(t) `)=sQ2P
return l(t1, t2) op r(t1, t2) fuf'r>1n
return op l(t) Cs]\3R|D`
return op l(t1, t2) Ayw {I#"
return l(t) op Ng&K5