一. 什么是Lambda N( Oyi
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 4aUiXyr*2
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, lDU_YEQ>
Um`!%
W7sn+g\
|~0UM$OB^3
class filler i|WQ0fD
{ 4hs)b
public : B?bW1
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} >jg0s)RA'
} ; r!
%;R?c
|nUl\WRd\
%aRT>_6"
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: WXw}^v
GVGlVAo|@
V3Z]DA
g}LAks
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 0#_'o ,
QzvHm1,@
oUZoj2G1
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 2JGL;U$
EgjR^A1W2
XvTCK>1
hX:"QXx
二. 战前分析 \ 0W!4D
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。 3SttHu0X
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 c9"r6j2m5
;&b.T}Nf06
Q\ppfc{,
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); OHv!
/* --------------------------------------------- */ <ABX0U[*
vector < int *> vp( 10 ); AIYmS#V1W2
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); $sHP\{
/* --------------------------------------------- */ 2,q}Nq
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); \3f&7wU
/* --------------------------------------------- */ ]`g@UtD9`
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); &ANP`=
/* --------------------------------------------- */ )kXhtjOl|
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); dt@P>rel
/* --------------------------------------------- */ 2Os1C}m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); q? qC
H,unpZ(
I#F!N6;
w8S!%abl1
看了之后,我们可以思考一些问题: k <iTjI*N
1._1, _2是什么? s$ENFp7P
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。 EOj"V'!
2._1 = 1是在做什么? b?X.U}62_
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。 -VKS~{
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。 #DU26nCL
TfYVw~p_ %
soA|wk\A
三. 动工 #G" xNl
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: O/s$SX%g
PXzsj.
|1b_*G4|
yZr M.%V
template < typename T > IYn]U4P.
class assignment `]Fx.)C#
{ ygJr=_iA9
T value; JxE53ev
public : y$FW$Ka
assignment( const T & v) : value(v) {} fWfk[(M'9
template < typename T2 > 2WX7nK;I
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } J]lrS
} ; (.wIe/
wI]"U2L5
_.IxRk)T
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 gI^oU4mq
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment BS Iy+
%,Sf1fUJ
3s\.cG?`r
3$.deYa$R
class holder c\B|KhDk
{ X[
q+619
public : 3vhnwDcK
template < typename T > "k*PA\U
assignment < T > operator = ( const T & t) const gVQjL+_W
{ Nkxmm/Z
return assignment < T > (t); 0"2=n.##
} m(RXJORI
} ; *n"/a{6>
UcBe'r}G
r.3/F[.
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
8*ZF
mMsTyM-f
static holder _1; +zXEYc
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ]8q3>
JlMT<;7\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); #e'
}.4cr
而不用手动写一个函数对象。 ]f+ csB
p' M%XBu
Ox#\M0Wn$3
3_~cMlr3T.
四. 问题分析 yjfat&$
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。 Eskb9^A
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。 7VcmVq}X
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 =mA: ctu~v
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 }ci#>
下面我们可以对这几个问题进行分析。 3 "o"fl
s!n<}C
五. 问题1:一致性 8} =JKR^cK
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?| nF6q7
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 nKW*Y}VO
x77l~=P+!
struct holder fP.F`V_Y
{ XGP6L 0j
// 'cY` w
template < typename T > Y3Vlp/"rB"
T & operator ()( const T & r) const $)3%U?AP
{ O@p]KSfk
return (T & )r; 311LC cRp
} nX$XL=6mJ&
} ; w"R:\@ F
D8
hr?:I9
这样的话assignment也必须相应改动: !rqF}d
/~ x"wo
template < typename Left, typename Right > EEGy!bff
class assignment ZPbpp@,
{ nstUMr6
Left l; 6iCrRjY*
Right r; B6wRg8
public : | WvU q
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} w)Covz'uf
template < typename T2 > @V03a
)6,h
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } E b=}FuV
} ; ^Z:~91Tv-_
jDQZQ NS
同时,holder的operator=也需要改动: ^ f# FI&
os/vtyP:a
template < typename T > [IK )
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const R: l&2k@
{ V}\~ugN)y
return assignment < holder, T > ( * this , t); @}u9Rn*d;
} ],P;WPU
?O>V%@
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。 In`mtn q
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 mEG#>Gg$
zbq@pj)Qu
return l(rhs) = r; NH+(?TN
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。 27;ci:5
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: J~#;<e{\"
D1__n6g[
template < typename Tp > w8n|B?Sr
class constant_t )B[0JrcE
{ HD(.BW7
const Tp t; "HPB!)C8(
public : i&VsW7
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} _cXqAo[V
template < typename T > } \ZaE~
const Tp & operator ()( const T & r) const qi_Jywd:w
{ D9z|VIw8
return t; &L^+BQ`O?
} 9uGrk^<t
} ; qAw x2fPu
fFc/
d(
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 Uw47LP
下面就可以修改holder的operator=了 St e=&^
Y.*y9)#S6
template < typename T > /iX+ R@
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 0{=`on;
{ ,T2G~^0
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); -;'1^
} R)c'#St
gvLf|+m
同时也要修改assignment的operator() nw-I|PVTNa
P>Ez'C
template < typename T2 > J>\B`E
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 92EWIHEWZ
现在代码看起来就很一致了。 Z?\2F%
}mAa}{_
六. 问题2:链式操作 rb|U;)C
现在让我们来看看如何处理链式操作。 p\<u6v ~J
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。 SLh(9%S;
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。 /kfgx{jZ
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。 ['T:ea6B
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ;aw=MV
P'`r
template < typename T > \_lod kf
struct result_1 Rj4|Q:XG
{ cJrmm2.0kD
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; -4cXRv]
} ; >(;{C<6|^
/oriW;OF
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: ;72T|e
gXjV?"^kUl
template < typename T > <kCU@SK
struct ref 3? HhG
{ UXdUO@
typedef T & reference; }5hqDBK?
} ; (2=Zm@Zpf
template < typename T > kO}AxeQ
struct ref < T &> .,OVzW
{ s D=n95`v
typedef T & reference; 9M:O0) s
} ; cZ|\.0-
v#!%GEg1r
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: v61[.oS
ia MUsa{
template < typename T > <"_d]?,
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const IyPwP*A
{ :AE&Ny4
return l(t) = r(t); <>8WQn,K
} c`o7d)_Ke
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。 }b-g*dn]5
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 QnJZr:4b
2K3{hxB
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 8p: j&F
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: g4l
!xT
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 #Jw1IcuH
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 *"{lMZ+
最后的布局是: C<P%CG&;
Add 2Tagr1L
/ \ }&[
Divide 5 i(NdGL#P
/ \ fP.
6HF_p_
_1 3 zR{W?_cV
似乎一切都解决了?不。 xLC3>>P
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。 6E^.7%3
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。 |fHV2Y`:g
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: ;NHt7p8SE
RR]CW
template < typename Right > tfGHea)M
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const !s&NT @ S
Right & rt) const yI"6Da6|y
{ 1#ft#-g}
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); @9lUSk^9
} j!7{|EQFcl
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 t$De/Uq
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 ayfFVTy1d
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 &8vCZN^
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 < Pky9o;
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 f>N!wgo[
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? "*Tb"
'O
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: vuoQz\
{\:{[{qF
template < class Action > D>LZP!
class picker : public Action ;<(W% _
{ sk=-M8;\
public : |v$JCU3!A
picker( const Action & act) : Action(act) {} #3+!ee27#
// all the operator overloaded TL}++e
7+
} ; (G[
*|6m
TZY3tUx0|G
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。 <OIIoB?t
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: dF2nEaN0%
4x 8)gE
template < typename Right > =fO5cA6Z
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const !lj| cT9
{ <1t*I!e_
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); FW21 U<
} G1o3l~x
lLF-{
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > (aH'h1,G
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。 9R7A8
z}MP)|aH:
template < typename T > struct picker_maker /,g ,Ch<d
{ r(RKwr:m
typedef picker < constant_t < T > > result; 6I4oi@hZz
} ; '2[albxSc
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > O4og?h>
{ y9>ZwYN
typedef picker < T > result; ~2gG(1%At9
} ; %3ICI
1f":HnLRM
下面总的结构就有了: ]hFW73FV
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。 }#^
B#?O
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。 TztAZ2C
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 /(.mp<s0
至此链式操作完美实现。 sXD1C2o
E.Jkf\
QmCe>+
七. 问题3 Yq%9M=#k
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。 <gQIq{B?
IrqZi1
template < typename T1, typename T2 > ):b$xNn
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const TX&Jt%
{ xUa{1!Y8
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); YLiSbLz1
} 4\4FolsK
lXjXqk\
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ]Ccg`AR{
4UW_Do
template < typename T1, typename T2 > Vnr[}<L
struct result_2 XYZ4TeW\1
{ +O*/"]h
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result;
+7=K/[9p
} ; z<##g
mjKS{
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? Yd#/1!A7u
这个差事就留给了holder自己。 {l/-LZ.
2kIa*#VOJ
z$?~Y(EY
template < int Order > f]\CD<g3|E
class holder; 2C9V|[U,
template <> br":y>=,
class holder < 1 > {;:/-0s
{ IHcD*zQ
public : 9mmCp&~Z
template < typename T > ucG@?@JENm
struct result_1 6 1F(<!
{ 93`
AWg/T
typedef T & result; d;>#Sxf
} ; ,^eYlmT>6
template < typename T1, typename T2 > \ywXi~+kUv
struct result_2 iC98_o_9
{ f;x kT
typedef T1 & result; y&?6FY
} ; C'o64+W^
template < typename T > !3 f?:M
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const =[@zF9
{ oaoU _V
return (T & )r; / ;,Md,p
} _YLfL
template < typename T1, typename T2 > lna}@]oR
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const >76\nGO
{ VBcy9|lD
return (T1 & )r1; %\H|B0
} `m!j$,c.
} ; _U
|>b>
o .qf _A
template <> oBzfbg8p
class holder < 2 > H\:lxR^
{ 2IKnhBSV3
public : A .EbXo/
template < typename T > TiO"xMX
struct result_1 jN6uT&{T
{ ~==>pj
typedef T & result; @EnuJe
} ; n=c
2Kc
template < typename T1, typename T2 > P#XID 2;
struct result_2 \8?Tdx=
{ a6WI170^1
typedef T2 & result; /iJ4{p
} ; c%'RR?Tl
template < typename T > %|oJ>+
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const k|lcc^[0
{ }DK7'K
return (T & )r; TTt#a6eJ
} *22nVKi{
template < typename T1, typename T2 > hR
Ue<0o:
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const [5+}rwm&W
{ QUQu^p
return (T2 & )r2; #>mr[
} Qg[/%$x.
} ; bS"fkf9
Htgx`N|
2VE9}%i
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> >。 G
%Q^o5m
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ~nG(5:A5g/
首先 assignment::operator(int, int)被调用: +E.GLn2/
|(q9"
return l(i, j) = r(i, j); 0^RXGN
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) zBk'{[y9L
%Cv D-![0
return ( int & )i; !`M|C?b
return ( int & )j; ` M3w]qJ<}
最后执行i = j; zN:K%AiGxe
可见,参数被正确的选择了。 f^"N!f a
LkK~%tY
=yyp?WmC8
Bb}fj28
A3iFI9Iv
八. 中期总结 }`,t$NV`
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: h?;T7|^
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 TG+VEL |T
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Ndcg/d
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor :X]itTrGs
kMt 8/ E`
bj"J'
:kf`?u
`R=HKtr?
|]ZYa.+:
九. 简化 =MLcm^b
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 <-D0u?8
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 w$`5g
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: e^[H[d.WMC
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 }t%!9hr5D
+-*/&|^等 )_i
qAqkS
2. 返回引用。 ?Vdia:
=,各种复合赋值等 52,m:EhL
3. 返回固定类型。 0 SNIYkGE
各种逻辑/比较操作符(返回bool) I{*<