一. 什么是Lambda ba13^;fm#
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 @35shLs
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, ,vPF=wq
v'tk:Hm1
$EF@x}h:A
g_U69
z
class filler ~JpUO~i/
{ {J$aA6t:"T
public : (i8t^
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} J7xmf,76w
} ; k7*q.2 0
2X_ef
cx}-tj"m-
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:
~A/_\-
Z]<_a)>
"f_Z.6WMY
#ZA
YP
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); cht#~d
9&cZIP
b3+PC$z2h
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 e^ yB9b
4KCxhJq
'Nh^SbD+_|
H^G*5EQK
二. 战前分析 YVT^}7#
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。 kN)ev?pQ[
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 AM>:AtY
a0R]hENC
3>+;G4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); |Bp?"8%*l
/* --------------------------------------------- */ *M:Bhw
vector < int *> vp( 10 ); ;QYK {3R?
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 9=|5-?^
/* --------------------------------------------- */ Z>l>@wN m
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); PO&`rr
/* --------------------------------------------- */ Ty=}A MMyE
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); cF6|IlhO
/* --------------------------------------------- */ 5S1m&s5k
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 5WUrRQ?E
/* --------------------------------------------- */ XebCl{HHp
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); y_6HQ:
< -Nj
Gkl#s7'
&kG<LGXP#
看了之后,我们可以思考一些问题: xk/(|f{L
1._1, _2是什么? U^xFqJY6
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。 _3hEYeh
2._1 = 1是在做什么? /y}
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。 F}X_I
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)Zv
;>~iCFk]?
^N]*Zf~N?
三. 动工 gnQd#`
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: >9 iv>
Yr+&|;DB
?g'l/xuRe
p s2C8;zT
template < typename T > bu]bfnYi9
class assignment rZLMYM
{ ~L2Fo~fw
T value; IoC,\$s,
public : Vh&uSi1V
assignment( const T & v) : value(v) {} 4
QWHGh"
template < typename T2 > 344- ~i*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } %vW@_A~
} ; ?1YK-T@
m`/OO;/;
uZfo[_g0S
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 6Pz\6DU,I
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment WDcjj1`l
8W{R&Z7aL
d/MMPge3
F
J)la9
class holder l{<@[foc
{ HxjhP(
public : `sSI; +
template < typename T > =vR>KE
assignment < T > operator = ( const T & t) const *p"%cas
{ h T<v8
return assignment < T > (t); \n}cx~j
} d4lEd>Ni
} ; ]c08`
r'&VH]m
,ecFHkT>
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: DUaj]V{_^
9BP-Iet
static holder _1; Kg56.$
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 tlj^0
7v{Dwg
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); JMXCyDy;
而不用手动写一个函数对象。 jVr:O`
YM-,L-HMA
{a(TT)d
d+8Sypv^4*
四. 问题分析 U<zOR=_
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。 LqNsQu";
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。 6]M(ElV1H
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 O9bIo]B
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 @,$>H7o
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ^]K_k7`I
ZjWI~"]
五. 问题1:一致性 q.*k
J/L
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| t\ ym4`"
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 G22u+ua
04o(05K
struct holder d-y8c
{ G@s
rQum(
// Nzf tc
template < typename T > `KB; 3L
T & operator ()( const T & r) const w=,bF$:fIW
{ }gete'I
return (T & )r; vkp_v1F%+
} UZz/v#y~
} ; iU+O(vi
Kqm2TMO]>V
这样的话assignment也必须相应改动: *|Tx4Qt
:>f}rq
template < typename Left, typename Right > JD9)Qelw^$
class assignment /V0[Urc@
{ c~SR@ZU
Left l; n86LU Sj5
Right r; #ozui-u>
public : e w?4;
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} :<hM@>eFn
template < typename T2 > &.F]-1RN[
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } f3^Anaa]l
} ; sFt"2TVr3
DHQS7%)f`
同时,holder的operator=也需要改动: [>![ViX
Kl_(4kQE_
template < typename T > 7H.3.j(L
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const f\xmv|8
{ g-? @a
return assignment < holder, T > ( * this , t); ,+~8R"
} 41g
"7Mk
Y
\ Gx|
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。 &n9&k
Em
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ]n}aePl}oU
[n4nnmM
return l(rhs) = r; :er(YWF:
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。 jI Entk
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: qF\w#nG
ijP`fM8
template < typename Tp > dIW@L
class constant_t >$,P )cB'
{ LI*=T
const Tp t; _ _!LTpp
public : F42<9)I
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} (@->AJF1\
template < typename T > F/ x2}'
const Tp & operator ()( const T & r) const t W+"/<U
{ /yHjds
return t; C#-HWoSi
} rGQ2 ve
} ; OClG dFJ|
.' }jd#
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 auga`*
下面就可以修改holder的operator=了 9U8x&Z]P
3\2%i6W6
template < typename T > M287Z[
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const @^T~W^+
{ n]df)a
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); >"8;8Ev
} XLC9B3Jt
eS+g| $cW
同时也要修改assignment的operator() KS}hU~
,CvG 20>
template < typename T2 > <eN_1NTH_
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ^T5X)Nu{=C
现在代码看起来就很一致了。 h6_(?|:-(
69m
;XdkKz
六. 问题2:链式操作 5|QzU|gPn
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ritBU:6
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 NGC,lv
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Wy .IcWK
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 .zg8i_
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 0NDftcB]
=,y |00l
template < typename T > j.e0;!
(L}
struct result_1 .Jx9bIw
{ nDS}^Ba
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; (*p ,T
} ; ]rehW}
T9W`?A
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: rxnFrx
p)aeH`;O
template < typename T > =m89z}Ot
struct ref K5Q43e1
{ 3`E=#ff%
typedef T & reference; pM;vH]|
} ; &H}r%%|A
template < typename T > r3E!dTDWq
struct ref < T &> G!w"{Bk?9
{ {8$=[;
typedef T & reference; %nN `|\
} ; 5r~#0Zf*
Q;11N7+
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: c'uhK8|
Hy.AyU|L
template < typename T > ho8`sh>N
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const l^GP3S
{ k.<]4iS
return l(t) = r(t); 5=Xy,hmnC
} 32DbNEk
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。 zgx&Pte
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 L`f^y;Y.
5oEV-6
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 o#) {1<0vg
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: x:-.+C%
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 !+>v[(OzM
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 T|J9cgtS
最后的布局是: ZkL8 e
Add ]]7mlQ
/ \ O[tvR:Nh
Divide 5 f-DL:@crU
/ \ Jk@]tAwoM
_1 3 3 LDS
Z1f
似乎一切都解决了?不。 --;@2:lg{
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。 &'cL%.
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。 vEf4HZ&w
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: 4BnSqw a_
KT]Pw\y5
template < typename Right > ?
WJ> p
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ^`un'5Vk
Right & rt) const S$KFf=0
{ kEwaT$
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ~wg:!VWA)
} X%yO5c\l2
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ]7-&V-Ct*
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。 Qt_dEl
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。 coYij
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。 :0Z^uuk`gq
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。 *8~86u GU
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? (c0A.L)
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: ;iDPn2?6?x
N0hE4t
template < class Action > dJ$"l|$$
class picker : public Action )`^p%k
{ (&/2\0QV
public : /mo(_
picker( const Action & act) : Action(act) {} 8XbA'% o
// all the operator overloaded @lJzr3}WZ
} ; <ZU=6Hq
Gt9&)/#
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。 fw ,\DFHO
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: ss;R8:5
.<kqJ|SVi
template < typename Right > l7&$}x-
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const hiNEJ_f
{ SG6sw]x
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); j*~T1i
} ySI~{YVM
VfT*7_
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Mq';S^
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。 AwQ?l(iZ"p
%,+leKs
template < typename T > struct picker_maker bn
|zl!Pq
{ oK 6(HF'&
typedef picker < constant_t < T > > result; i2~
} ; CI3XzH\IX*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > B"%{i-v>**
{ 9"g6C<
typedef picker < T > result; R8.CC1Ix
} ; _X@v/sAy
+V&{*f)
下面总的结构就有了: o)'y.-@Q
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。 bH"hX
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。 {BKl` 1z
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 j0@[Br %7
至此链式操作完美实现。 ca+[0w@S
~'R(2[L!;
$s<Ne{?
七. 问题3 qCv20#!"|
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 :;t
#\%L/
uc|45Zxt
template < typename T1, typename T2 > ?yh}/T\qp
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const qKJSj
{ Y!;|ld
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); |!y A@y?
} 4H@Wc^K
|HZTN"
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: pmX#E
T?4G'84nN
template < typename T1, typename T2 > 8i?l02
struct result_2 .7n\d55a
{ *Vho?P6y\Y
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; .!JVr"8
} ; 4
B*0M
o/ui)U_
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Y#g4$"G9
这个差事就留给了holder自己。 \W%UZs
id$Ul?z8
'=l[;Q^Q
template < int Order > <})'Y~i
class holder; 7
[g/TB
template <> EM\'GW
class holder < 1 > NKQOUw:qn
{ s|D>-
public : W\18{mbuy
template < typename T > (ND4Q[*6
struct result_1 j;+?HbL
{ Y"KE7>Jf
typedef T & result; umdG(osR
} ; fHZTXvxoL
template < typename T1, typename T2 > Q[#vTB$f
struct result_2 [CAR[
g&
{ Q:$Zy
typedef T1 & result; $ Y 7c
} ; ><=gV~7lx
template < typename T > 1
E22R
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const
eAqz3#_My
{ @u1zB:
return (T & )r; v(pmIb{
} ]^6c8sgnR
template < typename T1, typename T2 > o-o'z'9
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const lSH6>0#B
{ pC_O:f>vJ
return (T1 & )r1; yS=oUE$
} 6)BR+U
} ; J+f!Ar
WKSPBT;
template <> "] \+?
class holder < 2 > mA{~PpSb
{ [xKd7"d/n
public : iPrLwheb
template < typename T > N:9>dpP}O
struct result_1 #]'rz,E<
{ san,|yrMn
typedef T & result; r#6_]ep}<'
} ; w;l<[q?_
template < typename T1, typename T2 > Q3"}Hl2
struct result_2 CA +uKM^"6
{ %8~3M75$
typedef T2 & result; Q~Z=(rP20
} ; Vrvic4
template < typename T > 5[Pr|AY
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const l{D'uI[&
{ M2U&?V C!
return (T & )r; rLX4jT^
} *cO sv
template < typename T1, typename T2 > j+HHQd7Y
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const L;od6<.*m
{ WAn'kA
return (T2 & )r2; 9+keX{/c
} v
36%Pj`
} ; (L`j0kPN
;m2<eS`o'
rSYi<ku
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> >。 BT@r!>Nl
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: #:d
=)Qj0
首先 assignment::operator(int, int)被调用: r$wxk 4%Rz
~gu3g^<0v
return l(i, j) = r(i, j); TB;o~>9U
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) !`7B^RZ
x\Y $+A,P
return ( int & )i; 5xOv Y
return ( int & )j; VAXT{s&4>
最后执行i = j; u_).f<mUdF
可见,参数被正确的选择了。 {f{ZHi|
x=#VX\5k:
D?Ux[O zb
3 LdQ]S
P<K){V
八. 中期总结 |$7vI&m
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: 5?Wto4j
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Y\0}R,]a-
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 @ps1Dr4s
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor MJ=)v]a
/>j';6vi
R
CkaJ3
95<EN(oUD
*]i!fzI']
RDtU43
九. 简化 RV&^g*;E
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 98.>e
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 _Ob@`
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: Dk5Zh+^
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 1 n%?l[o
+-*/&|^等 07Edfe
2. 返回引用。
&ZTr
=,各种复合赋值等 D13Rx 6b
3. 返回固定类型。 t5[[JD1V
各种逻辑/比较操作符(返回bool) z%/N!RLW
4. 原样返回。 1bw{q.cmD
operator, iX\W;V
5. 返回解引用的类型。 4H+Ked&Oq
operator*(单目) [le)P$#z
6. 返回地址。
U?!>Nd
operator&(单目) R=Tqj,6
7. 下表访问返回类型。 F_bF
operator[] apk4j\i?5
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ,<A$h3*
operator<<和operator>>
=~I-]4
IuZ) [*W
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 TT9z_Q5~
例如针对第一条,我们实现一个policy类: {-A^g!jT&
|+$%kJR=
template < typename Left > 1jX3ey~
struct value_return 6;
Y0a4Ax
{ S\CRG>
template < typename T > -n0C4 kZ2o
struct result_1 f7I{WfZ\P
{ 5E0eyW
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type;
4^<