一. 什么是Lambda f^ZhFu?
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 YBR)S_C$_
在C++中,STL的很多算法都要求使用者提供一个函数对象。例如for_each函数,会要求用户提供一个表明“行为”的函数对象。以vector<bool>为例,如果想使用for_each对其中的各元素全部赋值为true,一般需要这么一个函数对象, E+LQyvF[
cOZBl;}
+S`cUn7
!IA\c(c^
class filler UEhFId
{ M{)&SNI*C
public : j%Xa8$
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} "a3?m)
} ; pOh<I{r1
7(a1@V H
-GM"gkz
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: hQlyqTP|2
T7Y}v,+-
]>Gi_20*.
hJD3G
|E
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); P}qpy\/(4
_:WNk(
;(A-
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 _zi| GD
8R:Glif
Pai8r%Zfu
;r&Z?B$
二. 战前分析 s9OW.i]zX
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。 4nQ5zwiV
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 e9tb]sAG
1ltW9^cF}
Y_EEnx&>i
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); +!!G0Zj/
/* --------------------------------------------- */ K+XUC
vector < int *> vp( 10 ); %>6ilGQ+
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); e-[PuJ
/* --------------------------------------------- */ &I(\:|`o
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); >tx[UF@P@
/* --------------------------------------------- */ SM2N3"\
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Bq1}"092
/* --------------------------------------------- */ ewHs ]V+U
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); ';c 6
/* --------------------------------------------- */ oveK;\7/m
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 9q
2 vT^
VaGQre
{$i>\)
CV_M |
看了之后,我们可以思考一些问题: c:&8B/
1._1, _2是什么? \7>*ULP
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。 NO@`*:.^Y
2._1 = 1是在做什么? tf|;'Nc6
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。 t|hc`|
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。 Zq<j}vVJ
0a^bAEP
NQX?&9L`r
三. 动工 &;)B
qqXc
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 'GX x|.
zy nX9t
C"B'Dj
Yf~Kzv1]*
template < typename T > `]] <.>R
class assignment 1 ]
cLbJ
{ 0I<L<^s3^U
T value; P:N>#G~z
public : FfrC/"N
assignment( const T & v) : value(v) {} t[|t0y8
template < typename T2 > $eG_LY 1v
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } _X mxBtk9f
} ; 9==4T$nM[
L jTSu9I>
l U4 I*
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 *w O~RnP
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment wy#>Aq
&Tj7qlP\
jZPGUoRLg
5pe)CjE:
class holder 1"75+Q>D
{ v}a{nU'
public : ~:o$}`mW
template < typename T > kGo2R]Dd[
assignment < T > operator = ( const T & t) const _$5DK%M}
{ YG8V\4
SQ
return assignment < T > (t); 9d-'%Q>+
} /|i*'6*
} ; A%HIfSzQBS
f\_PNZCc
qlYi:uygY
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: O6)Po
.ml\z5
static holder _1; K sE$^`
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 oe2*$\?.
u_
l?d
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); /.CS6W^z
而不用手动写一个函数对象。 %=9o'Y,4
X'
5R4j
IF5-@hag,
UH}lKc=t
四. 问题分析 ~jzLw@"~$^
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。 :{iH(ae;
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。 !#W>x49}
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 0F%8d@Y2
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 d=%NFCIV
下面我们可以对这几个问题进行分析。 `iM%R3&
l&U$LN$*e
五. 问题1:一致性 8b~
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?| O65`KOPn
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 UhL1Y
NF_
saP%T~
struct holder ~mXzQbe
p
{ d~%7A5
// y*{zX=]l<
template < typename T > gN:F5 0
T & operator ()( const T & r) const 7x>^ip"7
{ Q2r[^Z
return (T & )r; ;*j
K!
} Z'y &11
} ; r(uo-/7z
oxN5:)
这样的话assignment也必须相应改动: N<a%l J
K-#d1+P+
template < typename Left, typename Right > /KF@Un_Ow
class assignment BlU&=;#r5>
{ e1h7~ j
Left l; DC*MB:c#U
Right r; @0P4pt;(
public : ox&?`DO
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} eS@j? Y0y
template < typename T2 > 8P-ay<6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } `vAcCahM
} ; rDbtT*vN
JG'%HJ"D
同时,holder的operator=也需要改动: i]?
Eq?k
5;" $X 1{
template < typename T > E~fb#6
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const gggD "alDx
{ 2XeyNX
return assignment < holder, T > ( * this , t); |e2s\?nB0S
} d wG!]j>:_
YSt*uOZK
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。 ?Ce=h+l
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 2p](`Y`
S%}G 8Ty
return l(rhs) = r; v"ORn5
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。 T5zS3O
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: K=JDl-#!
%E&oe $[B
template < typename Tp > v/rBjUc+X
class constant_t dt"/4wCO
{ \L~^c1s3r
const Tp t; v9*+@
public : 8CUtY9.
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Gkem _Z
template < typename T > T%6JVFD
const Tp & operator ()( const T & r) const "X2'k@s`
{ kOD=H-vSi
return t; 8}:$=n4&
} Y0|){&PCt
} ; iY07lvG<
Qw2-Vv4!"
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 jGz~}&B
下面就可以修改holder的operator=了 l9Ol|Cb&
n8; p]{
template < typename T > /KOI%x
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 9M27;"gK
{ YFJaf"?8g
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 57{T
p:|
} 8b]4uI<
=-:%~ng
同时也要修改assignment的operator() u3O@ccJ;
mih}?oi
template < typename T2 > ,:L^vG@*
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } AP,ZMpw
现在代码看起来就很一致了。 &-Ch>:[
0>SA90Q
六. 问题2:链式操作 [>a3` 0M
现在让我们来看看如何处理链式操作。 6#*_d,xQT
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。 Mi|13[p{
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。 WFahb3kx
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。 yXDjM2oR/2
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct ]R)wBug
ZwsQ}5
template < typename T > {v]L|e%{
struct result_1 $eI
cCLF
{ 81y<Uz 6
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; K<5yjG8&
} ; X/:V{2
;.sYE/ZVi
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: ^_@[1'^
'a+^= c
template < typename T > {Dl@/fz
struct ref J?J4<l9
{ X\Zan$oi
typedef T & reference; 8e>B>'nH
} ; tkHmH/'7
template < typename T > V?
tH/P
struct ref < T &> p
P@q
`
{ !q,'k2=b,
typedef T & reference; JRz)A4P
} ; 2@Yu:|d4U
>v@3]a
i
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: eEVB
'9WTz(0?
template < typename T > Yl&[_
l
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const p1d%&e
{ SJP3mq/^K
return l(t) = r(t); %<DdX*Qp
} }FS_"0
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。 D8,8j;
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 V;SV0~&
[XI:Yf
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 bi+M28m
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: aQL0Sj:,
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 :$K=LV#Iru
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 HoAg8siQ
最后的布局是: qy pF}Pw
Add *s 4Ym
/ \ zuN(~>YH
Divide 5 %/e'6g<
/ \ ?:`sE"
_1 3 ps2j ]g
似乎一切都解决了?不。 02[m{a-
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 Q?1.GuF
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 a_}C*+D
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: {0F/6GwUC
"t^RZ45
template < typename Right > r-$xLe7a
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const q>'#; QA
Right & rt) const {~O4*2zg;K
{ !5De?OXe
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); S>T ;`,
} +|dLR*s
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 *GXPN0^Qjo
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。 Axb=1_--
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。 x1g-@{8]j
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。 -j<E_!t
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。 >e/>@ J*
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? vd#)+
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: ;6hoG(3
+
#A4WFZ
template < class Action > v=G*K11@
class picker : public Action wX2U
{ o NA ]G]
public : g`'!Vgd?M[
picker( const Action & act) : Action(act) {} Brs6RkRf
// all the operator overloaded ~fD\=- S1
} ; %,vq@..^
zdPJ>PNU
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。 T;B FO5G@
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: L bJf5xdi
6c^?DLy9B
template < typename Right > t|oIzjKE/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const hzqgsmT)
{ !l#aq\:}~e
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); i ?pd|J
} ;\A_-a_(#
+|g*<0T5<
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > rQT%~oM:
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。 OT$Ne
e?;c9]XO,o
template < typename T > struct picker_maker >CrrxiG
{ FXT^r3
typedef picker < constant_t < T > > result; mYo~RXKGF
} ; L9e<hRZ$
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > X(E`cH
|
{ #]1jvB
typedef picker < T > result; ENqZ=Lyq
} ; %pxJ2 7Q
Z>g&%3j
下面总的结构就有了: l*hWws[
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。 2>X yrG
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。 HTiLA%%6
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Zl9
至此链式操作完美实现。 d`V.i6u
cz/E
I@VzH(da\
七. 问题3 {Lv"wec*x
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。 :F6dXW
h`9 & :zr
template < typename T1, typename T2 > :!t4.ko
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const i^:#*Q-co
{ TtrO _D
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Ms5qQ<0v_
} $s1/Rmw
]pB5cq7o
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: ^NX;zc
Q;>Yk_(S
template < typename T1, typename T2 > %k?/pRv$>
struct result_2 p8j4Tc5tQ>
{ M]Vi]s
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; TT(R<hL
} ; PJm@fK(j
40
u
tmC
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? R73@!5N%
这个差事就留给了holder自己。 RgH 6l2
v9@_DlV\
ua=7YG
template < int Order > V!. Y M)B
class holder; sbVEA
template <> cyd&bxPgj+
class holder < 1 > 0@{bpc rc
{ k1g-%DB
public : 4w9=z,
template < typename T > /,~]1&?}1
struct result_1 ,f)+|?wz
{ !.# g
typedef T & result; O\cc=7
} ; `2+TN
template < typename T1, typename T2 > C[Q4OAFG
struct result_2 dEMv9"`*!
{ `x?_yogPM
typedef T1 & result; $D65&R
} ; bYQ@!
template < typename T > w#a`k9y
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const jdVj
FCl^#
{ D,p2MBr
return (T & )r; 1jKj'7/K
} $; _{|{Yj
template < typename T1, typename T2 > wpN [0^M-0
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const zobFUFx
{ 5G'2 Wby'#
return (T1 & )r1; a(fiW%eFb
} }+`,AC`RM
} ; Q:
-&
46
0/eW\
template <> 7Cz=;
class holder < 2 > d^~yUk
{ CaED(0
public : R86i2',
template < typename T > Z3wdk6%:}
struct result_1 $Sy}im\H
{ lUq`tK8
typedef T & result; 9i_@3OVl
} ; IY!.j5q8
template < typename T1, typename T2 > "UY34a^I
struct result_2 3zfpFgD!
{ Lfa&JKd
typedef T2 & result; )D+eWo
} ; =s:kC`O
template < typename T > m7A3i<6p
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const \N|}V.r
{ hB>FJZQ_
return (T & )r; s H'FqV,)
} 8 *m,#
template < typename T1, typename T2 > OUN~7]OD%
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const O['[_1n_u]
{ oMM@{Jp
return (T2 & )r2; JY:Fu
} sT iFh"8d>
} ; )Mflt0fp
NODg_J~T
4\V/A+<W
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 OiC|~8
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: peS4<MqWu
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 5xUZeLj
.3XSF$;
return l(i, j) = r(i, j); VJ&-Z |
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) c?c"|.-<p
nWf8r8
return ( int & )i; 9"Dt3>Z
return ( int & )j; 7r(c@4yPI
最后执行i = j; }(na)B{m
可见,参数被正确的选择了。 B\=T_'E&
`\ nKPj
&432/=QSm0
1z,P"?Q
Um-Xb'R*]V
八. 中期总结 +Swl$ab
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: F2(^OFh
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 9}K
K]m6u}
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 h3\(660>$
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor p@DVy2,EY
y^X]q[-?
5Em.sz;:8
gm:Y@6W
u
XZ ;K.
2=7[r-*E
九. 简化 VJr ~h
"[
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。 wB[
JFy"E
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 "K|':3n|
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: Bbb":c6w0
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 :$X dR:f}}
+-*/&|^等 K`|V1L.m
2. 返回引用。 \\oa[nvL~
=,各种复合赋值等 nhm#_3!6A
3. 返回固定类型。 fpzEh}:H\
各种逻辑/比较操作符(返回bool) (YPG4:[
4. 原样返回。 4eaH.&&
operator, 3s*mq@~1X
5. 返回解引用的类型。 `'(@"-L:7
operator*(单目) La7}zXx
6. 返回地址。 BT -Y9j
operator&(单目) tB}W
)Eb
7. 下表访问返回类型。 ^s=F<_{
operator[] yRhD<