一. 什么是Lambda {u0sbb(
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 5!wjYQt3
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, :^qUr`)
VD $PoP
%{UW!/
zo8&(XS
class filler oLtzPC
{ [S-#}C?~
public : /XA*:8~!
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 9xK#(M
} ; 4#t=%}
AFeFH.G6Jr
I~E&::,
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: |Om9(xT
z_#HJ}R=
X{[$4\di{
ug'^$geM
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); E(z|LS*3
kpy)kS
|Bv,*7i&
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 EP90E^v^
$VP\Ac,!
/Z~$`!J
VV#'d
二. 战前分析 #)i+'L8
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。 6OJhF7\0&
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 XWX]/j2jA
YG5mzP<T
{$pi};
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 4H@7t,>
/* --------------------------------------------- */ w_;$ahsu~
vector < int *> vp( 10 ); &os:h]
C
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); 5|`./+Ghk
/* --------------------------------------------- */ mVN\
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); (dy:d^
/* --------------------------------------------- */ _PQk<QZ
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); <]_[o:nOP
/* --------------------------------------------- */ ^rO!-
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); hZ/p'
/* --------------------------------------------- */ 7AqbfLO
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); '|*e4n
meXwmO
kY9$ M8b
Q ~n%c7
看了之后,我们可以思考一些问题: 91nB?8ZE6,
1._1, _2是什么? %h;1}SFl0
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。 kw7E<aF!
2._1 = 1是在做什么? U'~]^F%eyu
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。 m( %PZ*s
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。 q0['!G%["
PsS.lhj0"
-a"b:Q
三. 动工 (^_INy*
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 2T@?&N^OD
: w>R|]
R((KAl]dL
i=hA. y`
template < typename T > -6X+:r`>u
class assignment zz<o4bR
{ et(AO)uv6
T value; " ub0}p4V
public : r^ '
assignment( const T & v) : value(v) {} (\wV)c9
template < typename T2 > [M:<!QXw
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ytV[x
} ; 1zCgPiAem
CHjm7
~zvZK]JoX
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 YUyYVi7clq
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment vIZFI
lS!O(NzqE'
2^Z"4t4
`=Bv+
class holder u@`y/,PX
{ IJ:JH=8
public : V@EyU/VJ
template < typename T > -zzT:C
assignment < T > operator = ( const T & t) const 2E!Q5 l!j
{ nQg_1+
return assignment < T > (t); LY#V)f
} Q)8I(*
} ; H:WuMw D4
RXu`DWN
9C!b
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: ?+%bEZ`
N|
P?!G-=
static holder _1; FF|M7/[~
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 MOi1+`kwh
:2XX~|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); sv#b5,>9
而不用手动写一个函数对象。 WD*z..`
WY5HmNX3E
6uk}4bdvq
TQ%F\@"
四. 问题分析 %ZDO0P !/
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。 ^V]IPGV
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。 A ^zd:h-
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 M=4b
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 TZ}y%iU:mB
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ,,Ivey!kL
YOA)paq+
五. 问题1:一致性 Ka%#RNW
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?| <7gv<N6BQf
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 _kBx2>qQ
ov
>5+"q)
struct holder K*p3#iB
{ w02C1oGfx
// ^oClf(
template < typename T > @Q&k6.{4Z
T & operator ()( const T & r) const H7meI9L
{ g+(Y)9h&
return (T & )r; &^Gp
} F%O+w;J4
} ; <,U$Y>
FMWM:
这样的话assignment也必须相应改动: Fr (;C>
Blj<|\igc
template < typename Left, typename Right > 1xO-tIp/
class assignment YlR9
1LX
{ : JSuC
Left l; kE[R9RS!
Right r; WYkh'sv >
public : $H&:R&Us
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} A!}Ps"Z
template < typename T2 > ::-*~CH)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } fP$rOJ)P
} ; ;Sp/N4+
M 5`hMfg
同时,holder的operator=也需要改动: 2R;#XmKS
x,fL656t
template < typename T > F6>oGmLy
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 0Fsa&<{6?
{ .S4%Q9l
return assignment < holder, T > ( * this , t); k-)Ls~#+
} 2h)Qz+|7
8PWEQ<ev7>
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。 g0-rQA
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 _N0N#L4M
/a6i`
return l(rhs) = r; 2@I0p\a
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。 #u +~ ^M
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: HuQdQ*Q
?0qP6'nWx
template < typename Tp > \m:('^\6o
class constant_t . lNf.x#u
{ cIP%t pTW.
const Tp t; Ynp#3 r
public : _1~pG)y$U
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} o%0To{MAF-
template < typename T > iO2jT+i
const Tp & operator ()( const T & r) const ~@T`0W-Py
{ `}rk1rl6
return t; K6|R ;r5e{
} %joU}G;"
} ; JU)k+:\a
z*9 ke
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 r d)W+W9
下面就可以修改holder的operator=了 u1\r:q
H5o=nWQ6e
template < typename T >
;kT~&.,y
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 8Dn~U:F/?
{ wzBw5nf\
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); Yb1Q6[!
} a>Zp?*9
'rA(+-.M;
同时也要修改assignment的operator() 62K#rRS
t J&tNSjTi
template < typename T2 > qVjMflVoay
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } Jb-.x_Bf
现在代码看起来就很一致了。 >2X-98,
^`Hb7A(
六. 问题2:链式操作 kv;P2:"|
现在让我们来看看如何处理链式操作。 77ztDQDtM
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 Ds#BfP7a
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 | IS$Om
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。 F07X9s44E
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct IFhS(3YK[
c@J@*.q]
template < typename T > )ybF@emc
struct result_1 ~R50-O
{ {<?8Y
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 8pZ Ogh
} ; v *`M3jb
2waPNb|
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: dcyHp>\)|
0sTR`Xk
template < typename T > E]=>@EX
struct ref 8(L6I%k*
{ +(^HL3
typedef T & reference; 8IE^u<H(:
} ; %Y>E
template < typename T > -Zp BYX5e_
struct ref < T &> !SIk9~rJ
{
|.L_c"Bc
typedef T & reference; 5G$5d:[(
} ; !e*T.
1Kz
n|KYcU#
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: 4S[UJ%
d`~~Ww1
template < typename T > -:OJX #j
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const FZLx.3k4
{ Yy6$q\@rV
return l(t) = r(t); HxcL3Bh$~}
} M>}_2G]#F
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。 m;t&P58f
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 K9y~
e
oYt 34@{?
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 mrr~ #Bb>
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 1 vtC4`
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 %%zlqd"0
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 e[0"x.gu
最后的布局是: n9n)eI)R
Add p@[ fZj
/ \ <fV][W
Divide 5 P(/eVD#v
/ \ J0oeCb
_1 3 +-,iC6kK
似乎一切都解决了?不。 `uH7~ r^
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。 euVj,m
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。 -3guuT3x\
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: mCG&=Fx
xc\zRsY`
template < typename Right > P,9Pn)M|
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const _l"nwEs
Right & rt) const SD<a#S\o
{ -'SA&[7dP
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); F=e-jKogK
} " 0m4&K(3,
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 ~E!kx
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。 | L1+7
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。 5t"FNL
<(M
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。 DfP-(Lm)
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。 Iy&,1CI"]
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? !a-B=pn!]
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: 0!7p5
aT(_c/t.
template < class Action > Rn]xxa'
class picker : public Action +jyGRSo
{ y@<2`h
public : VpSpj/\m)'
picker( const Action & act) : Action(act) {} w( _42)v]g
// all the operator overloaded ZfK[o{9>
} ; 9 <{C9
=:]v~Ehq
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。 k~ByICE
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: N5h9){Mx
z|X6\8f
template < typename Right > X8R`C0
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const 3?@6QcHl{
{ [uLsM<C
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 4+s6cQ]S`
} !8|}-eFY
CxZh^V8LP
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > l`i97P?/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。 G\TO]c
%^vT7c>
template < typename T > struct picker_maker 6a9$VGInU
{ v8j3
K
typedef picker < constant_t < T > > result; ]bY]YNt{7]
} ; (QJe-)0_y
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > ovBmo2W/
{ xLDD;Qm,
typedef picker < T > result; -Ou.C7ol
} ; r$}C<a[U
8W?dWj
下面总的结构就有了: ]z/R?SM
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。 "\KBF
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。 IA({RE
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 _]pu"hZz4
至此链式操作完美实现。 P(TBFu
+a1iZ bh
8.Y|I5l7G
七. 问题3 y!.jpF'uI
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。 RZ xwr
F_jHi0A
template < typename T1, typename T2 >
%0N
HU`j
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const $2L6:&.P,
{ 6CIzT.
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2);
});Rjg
} 7-!n-
Np/\}J&IF
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Zo yO[#
VL$
T
template < typename T1, typename T2 > NX.xEW@
struct result_2 OmO#} k<
{ R]iV;j|
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Wi'}d6c
} ; HOF$(86zqA
C?T\5}h
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? G+t:]\
这个差事就留给了holder自己。 eY5mwJ0K
Xa?O)Bq.
Qop,~yK
template < int Order > rUj\F9*5#
class holder; ]b!n ;{5
template <> G~YZ(+V%~
class holder < 1 > voRry6Q;
{ >m,hna]RZ
public : |uqI}6h.
template < typename T > ,_I
rE
struct result_1 I/MY4?(T
{ IrqM_OjC
typedef T & result; D5D *$IC
} ; @we1#Vz.
template < typename T1, typename T2 > DylO;+
struct result_2 C;N6",s!
{ =abcLrf2G
typedef T1 & result; jk03 Hd
} ; DfD
>hf/
template < typename T > 2!Dz9m3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const !S#3mT-
{ 4JAz{aw'b
return (T & )r; .qO4ceW2-~
} {_-kwg{"(
template < typename T1, typename T2 > %+N]$Q
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const )Y7H@e\1
{ t?4H9~iH
return (T1 & )r1; A51
a/p#
} zVq!M-e
} ; f
+{=##'0
gwRB6m$
template <> <46&R[17M
class holder < 2 > FklR!*oL,)
{ xR/CP.dg
public : G`Nw]_
Z_
template < typename T > Z~~6y6p
struct result_1 3R+%C* 7
{ b0{i +R
typedef T & result;
?<EzILM
} ; W2
-%/
template < typename T1, typename T2 > nn_O"fZi
struct result_2 ]?tRO
{ =9GALoGL
typedef T2 & result; c$Kc,`2m7
} ; :o>=^N
template < typename T > E EDFyZ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const Y 3BJ@sqz
{ $3^M-w
return (T & )r; \yr9j$
} p%I'd^}.!
template < typename T1, typename T2 > N}?|ik
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const GfE>?mG
{ d:(Ex^^
return (T2 & )r2; |Ns4^2
} a)QT#.
} ; 1;ttwF>G7
5H0qMt P
@:C)^f"
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> >。 :>0ywg
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Lq2Q:w'
首先 assignment::operator(int, int)被调用: e= IdqkJ%
]F4QZV(
M
return l(i, j) = r(i, j); &<VU}c^!
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) gwoe1:F:J
.SD-6GVD
return ( int & )i; .\R9tt}
return ( int & )j; mWT+15\5r(
最后执行i = j; o5o myMN
可见,参数被正确的选择了。 P%aqY~yF3
i1vz{Tc
d4S4
e
V*j l
)QE6X67i
八. 中期总结 &B{zS K$N
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: Qn*l,Z]US
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 -V/y~/]J
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 _z@/~M(
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor NfV|c~?d
v -}f
P
EN!C5/M{&
g,Ob/g8uc
.q9Sg8G
3ZXAAV
九. 简化 5whW>T
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 pU7;!u:c4%
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 lL)f-8DX
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: \sNgs#{7E7
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 rmX*s}B
+-*/&|^等 Hd~g\
2. 返回引用。 /mkT7,]
=,各种复合赋值等 a{kJ`fK
3. 返回固定类型。 )p\`H;7*V4
各种逻辑/比较操作符(返回bool) {A0jkU
4. 原样返回。 J!uG/Us
operator, "ko*-FrQ
5. 返回解引用的类型。 QLY;@-jF$
operator*(单目) Msqqjhoy
6. 返回地址。 9\Jc7[b
operator&(单目) ]-\68b N
7. 下表访问返回类型。 {-4+=7Sg1
operator[] 9O;Sn +
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 L7rgkxI7k*
operator<<和operator>> ZmsYRk~@-
&
kC
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。 Fv^zSoi2
例如针对第一条,我们实现一个policy类: #X-C~*|>j
{=GmXd%D
template < typename Left > pP| @Z{7d`
struct value_return <:9ts@B
{ pJHdY)Cz
template < typename T >
S_P&Fv
struct result_1 dA)T>
{ ?X|)0o
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; *Jsb~wta
} ; )>ZT{eF
t\Vng0
template < typename T1, typename T2 > 0AO^d[v
struct result_2 Qt.*Z;Gs
{ ^#R`Uptib
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; @[r[l#4yUi
} ; mjD^iu8?
} ; ~0PzRS^o
4/(#masIL
ZXnacc~s
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait B?j t?
/b,>fK^
下面我们来剥离functor中的operator() IW\^-LI.
首先operator里面的代码全是下面的形式: ]+I9{%zB%8
1V2]@VQF
return l(t) op r(t) Ze0qRLuH!
return l(t1, t2) op r(t1, t2) );!ND%
return op l(t) !<];N0nt#
return op l(t1, t2) (_pw\zk>
return l(t) op T_*inPf
return l(t1, t2) op p-s\D_
return l(t)[r(t)] sa.H,<;
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] ](JrEg$K
)BJkHED{
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: #zsaQg,
B
单目: return f(l(t), r(t)); &{j!!LL
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); ?M:>2wl
双目: return f(l(t)); eA&