一. 什么是Lambda b S' dXP
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 0vMKyT3 c
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, b+L !p.:
j'lC]}kH
BbPRPkV
[e{D
class filler bik lja
{ aNwx~t]G
public : UXwI?2L
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} @3~Wukc
} ; +G,_|C2J
_@g\.7@0G
a :cfr*IsK
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: YtXd>@7
Oh,Xjel
cyh;1Q
Z&7Yl(|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); !Fs<r)j
,8cVv->u/
j zwHb'4B3
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 aN!,\D
+x~p&,w?
0oqOX
JgV4-B0
二. 战前分析 9hJ
a K
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。 ZkNet>9
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 4ti,R'
U r8JG&,
,| j\x
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); z.OJ1vY7
/* --------------------------------------------- */ k`s_31<
vector < int *> vp( 10 ); 0n={Mb
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 90ov[|MkM
/* --------------------------------------------- */ r"t,/@`n
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); bw!*=<
/* --------------------------------------------- */ `(6cRT`Wp
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); ~B7<Yg
/* --------------------------------------------- */ VZ7E#z+nM#
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); *?>52 -&b
/* --------------------------------------------- */ }1Q>A 5e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 4H{$zMq8
;q#Pl!*5
GgE
38~A4
j(M.7Z7^
看了之后,我们可以思考一些问题: Bw9O)++
1._1, _2是什么? Xo6zeLHO
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 -U\s.FI.AR
2._1 = 1是在做什么? EoS6t
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 g!)*CP#;
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 5,\|XQA5!
PWO5R]
Q9Go}}n
三. 动工 m6Qm }""
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: e2pFX?
2(P<TP._E
1O1MB&5%
-$,'|\Y
template < typename T > =Ew77
class assignment n;QFy5HB8
{ Jyp7+M]
T value; p[;@9!t
public : 8~O0P=
assignment( const T & v) : value(v) {} J~h9i=4<bF
template < typename T2 > O5:[]vIn
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } A+z}z@K
} ; O:8Ne*L`D
=NWzsRl,
tJm1Q#||
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 ):n'B` f}z
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 3-)R'
gf^y3F[\
UMHFq-
b=SCyGxlZ5
class holder IBW-[lr7
{ `trcYmR=k
public : mApl;D X
template < typename T > ']Z%6_WF
assignment < T > operator = ( const T & t) const kPO+M~+n
{ BHU=TK@GR
return assignment < T > (t); '<O.J(N~4!
} Kp!A
ay
} ; hE'>8 {
`H9!Z$7G
OU*skc>
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: j@4]0o
S8C}C#
static holder _1; '>T hn{
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 n8FIxl&u
:w7?]y6~S
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Ga pM~~
而不用手动写一个函数对象。 /!60oV4p0
#E#@6ZomT
fVi[mH0=+
48{B} j%oU
四. 问题分析 5fLp?`T
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 n'1LNi
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 .Y }k@T40a
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 iEbW[sX[4
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 /2 qxJvZ
下面我们可以对这几个问题进行分析。 pi/&WMZ<
_*xY>?Aq
五. 问题1:一致性 y`cL3
xr4R
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| '}q/;}ih
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 Gq7\b({=
eu//Q'W
struct holder FMitIM*]
{ 7Oi<_b
// t&IWKu#
template < typename T > +KOhDtLMG
T & operator ()( const T & r) const }}Gkipp
{ '"h}l`
return (T & )r; .s|5AC[
} ;Q[E>j?w=
} ; (v$
i
OJ.oHf=K!
这样的话assignment也必须相应改动: _P%PjFQ)
:zpT Gk8Z
template < typename Left, typename Right > GY"c1KE$
class assignment kc2
8Q2
{ jV<5GWq
Left l; N5tFEV'G
Right r; \[/}Cy
public : Yfy";C7X
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} (.b!kfC
template < typename T2 > 9QeBz`lm)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } <1`MjP*w
} ; OfeM;)
:\%hv>}|
同时,holder的operator=也需要改动: B|=S-5pv*
Qh]k)]+*|
template < typename T > V2g"5nYT
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const \\Z?v,XsS
{ }$* z:E
return assignment < holder, T > ( * this , t); 46H@z=5
} [lzH%0
V
}T53y6J#
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 8A'SMJi
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 8sq0 BH
upq3)t_
return l(rhs) = r; T`c:16I
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ft!D2M
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: x@|10GC#:
_J,*0~O$
template < typename Tp > Jt)J1CAYo
class constant_t F'ez{B\AX
{ y"H(F,(N
const Tp t; %-|$7?~
public : G+m[W
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} VY@`)
template < typename T > m=w #l>!
const Tp & operator ()( const T & r) const .4y44: T
{ JYLAu4s6
return t; Ctk1\quz
} ,,?XGx
} ; M1*x47bN
P|a|4Bb+fW
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 gGs"i]c
下面就可以修改holder的operator=了 ifmX<'(9A
9rM#w"E?<
template < typename T > _#
&_`bZH
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const q{!ft9|K\d
{ 6f+@@=Xc
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); !)`m mr
} WGUd@lC~
HLqDI lL
同时也要修改assignment的operator() sjHcq5#U!
Q0L1!}w
template < typename T2 > R,-DP/ (im
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } <4I`|D3@
现在代码看起来就很一致了。 E:P_CDSd]
"a<:fEsSE
六. 问题2:链式操作 C~M,N|m+^
现在让我们来看看如何处理链式操作。 6hHMxS^o
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ^vI`#}?
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 w=~X 6[+3
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 /5Yl, P
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 2TQ<XHA\
S4!B;,?AxN
template < typename T > }3-`e3
struct result_1 WHRBYq_
{ 02^Nf7DMR
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ;rXZ?"
} ; uzS;&-nA
_iu^VK,}
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: 66po SZR@
k?_uv
template < typename T > k:&B
b"
struct ref ]'z 5%'
{ `a@YbuLd
typedef T & reference; ];QX&";Z
} ; +t(Gt0+
template < typename T > {$C"yksr
struct ref < T &> l4^MYwFR{O
{ :6Gf@Z&+
typedef T & reference; ] B>.}
} ; ~hT(uxU/
4v`;D,dIu
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: )\{]4[9N
U \F ?{/
template < typename T > ayLINpL
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const `L3{y/U'
{ \{o<-S;h
return l(t) = r(t); Mp@dts/|
} =3GgfU5k
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。 ~;oaW<"
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 bFJ>+ {#
9Wdx"g52_D
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 so@ijl4{Z
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: -hGLGF??
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 $8Gj9mw4e'
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 mD,fxm{G
最后的布局是: q oz[x
Add VrJf g
/ \ 5zF$Q {3
Divide 5 ,F=FM>o
/ \ X6r3$2!
_1 3 ,oJ$m$(Lj
似乎一切都解决了?不。 2rM/kF >g
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。 IG!(q%Gf
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。 AzSmfEaU0
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: tjcsT>
4^ZbT
template < typename Right > +_ $!9m
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const Ag;Ybk[
Right & rt) const Hr*xA x
{ 4@Bl 1b[<
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 12}!oS~_
} j!IkU}*c
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 &HqBlRo
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。 f/sLQdK,
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。 -E.fo._L5
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。 Rvd'uIJ
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。 (:RYd6i
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? 3O|2Z~>3
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: Bsj^R\
QGnUPiD^
template < class Action > VP1z"j:
class picker : public Action Dp?lgw
{ ,S&p\(r.
public : bMqFrG
picker( const Action & act) : Action(act) {} L^Fb;sJYI
// all the operator overloaded Gf-GDy\{
} ; H2yPVJ\Y)"
4UMOC_
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。 z7&m,:M
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: =RHIB1
xN!In-v[j;
template < typename Right > Xj<xen(
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 4@M`BH`
{ 9dva]$^:*1
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); a._>?rVy
} vJ>o9:(6
((6?b5[
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > {v2[x W
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 E U'P
U
`KieN/d%
template < typename T > struct picker_maker m ~gc c
{ X#ud_+6x
typedef picker < constant_t < T > > result; B_"PFWwg
} ; @u:q#b
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > &pHXSU
{ 6|1*gl1_LD
typedef picker < T > result; 4p>,
} ; Tzfk_h3hE
-(zw80@&
下面总的结构就有了: i({MID)/_
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 ^$y`Q@-9
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。 P9M%B2DQ6f
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。
*,,:;F^
至此链式操作完美实现。 hcR^?
y]uBVn'u
[f]:hJi
七. 问题3 UryHte
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。 _RWH$L9
M`?ATmYy
template < typename T1, typename T2 > )!'7!" $
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const Rpxg
5
{ Mz;KXP
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); *~d<]U5h
} m>!aI?g
b:$q5
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: soA] f
zG<>-?q~'
template < typename T1, typename T2 > ;33SUgX
struct result_2 J>fq5
{ 5L,q,kVS
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; S~^]ib0
} ; '^tC |)
)+f"J$ah
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? sc z8`%
这个差事就留给了holder自己。 Sre:l'.
)O>M~
1|$J>
template < int Order > *nwH1FjH
class holder; w=thaF.
template <> /Y[ b8f
class holder < 1 > $I9U.~*
{ [>lQiX
public : &H2j3De
template < typename T > \+<=O`
struct result_1 d26#0Gt-4i
{ }S}%4c>
typedef T & result; jm[f|4\
} ; 0"iQHi
template < typename T1, typename T2 > 2nSK}q
struct result_2 eH%i8a
{ F`.W 9H3
typedef T1 & result; BfQ#5
} ;
&0OH:P%
template < typename T > B.#-@
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const |oR#j
`
{ vhN6_XD
return (T & )r; m[Qr>= "
} e<"sZK
template < typename T1, typename T2 > [!4V_yOb
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const vX$|/74
{ sAjN<P
return (T1 & )r1; 6ciA|J'MR
} LWV^'B_X-
} ; 'r}y{`3M
#y1M1O g
template <> H`7T;`Yb
class holder < 2 > VgMuX3=
{ 0kaMYV?
public : ^j<2s"S
template < typename T > }p*WH$!~
struct result_1 M+7jJ?n
{ kMg[YQ]OC
typedef T & result; ZC)m&V1
} ; `-5gsJ
template < typename T1, typename T2 > 35YDP|XZb
struct result_2 @ZtvpL}e
{
TrBtTqH)
typedef T2 & result; X&!($*/
} ; S~GS:E#
template < typename T > ?Xqkf>
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 'N/u<`)
{ cgR8+o
return (T & )r; t]xR`Rr;X
} z/i&Lpr:
template < typename T1, typename T2 > }L>0}H
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Q1x=@lXR
{ wLo<gA6;
return (T2 & )r2; IC-W[~
} BuS[(
} ; 3*eS<n[uG
Jv~^hN2
s_U--y.2r(
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> >。 %\!@$]3q
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: o1[[!~8e
首先 assignment::operator(int, int)被调用: xxpzz(S ]A
I1JF2 "{c
return l(i, j) = r(i, j); mA5sK?W
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) \Lm`jU(:l
"f-HOd\=
return ( int & )i; M?I^`6IOc8
return ( int & )j; {ApjOIxk
最后执行i = j; H2CpZK'
可见,参数被正确的选择了。 gVs@T'
Q=^TKsu
O66b^*=N}x
3/8<dc
2QKt.a
八. 中期总结
`dIwBfg_
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: i_p-|I:hQ
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 a!,X@5
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 G1wJ]ar
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor U Fyk%#L
iO}KERfU
1}OM"V
@Z
Dd(xB&
i.e4<|{
I\|.WrMNi
九. 简化 6Z{(.'Be
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\g?Z6G
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 L!~ap
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: j-t"
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 !'a
<Dw5
+-*/&|^等 @R ;&P