一. 什么是Lambda ogJ';i/o
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 w")m]LV
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, 9j5-/
3[ xHY@c
/R>YDout}
^nDa-J$
class filler ~4mRm!DP
{ Ua~8DdW
public : 7d+0'3%
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} VAe[x
`
} ; N0 mhgEA
D/,(xWaT
cu)B!#<!&
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: 1hc`s+N
O.-A)S@
[EK^0g
X|}Q4T`
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); `v'yGsIV
lc]cs D
@iBmOt>3
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 yDj'')LOQg
Kp;a(D
;*=7>"o'`
%CUwD
二. 战前分析 v`p@djM
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。 +Z]}ce
u"
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 DUg[L
QcjsQTAbk
0vMKyT3 c
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); j'lC]}kH
/* --------------------------------------------- */ btbuE
vector < int *> vp( 10 ); z<J2e^j
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); RS@G.|
/* --------------------------------------------- */ :u)Qs#'29
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); C]h_co2eI
/* --------------------------------------------- */ :lK8i{o
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); Mq#Hi9SKY
/* --------------------------------------------- */ .LbAR
u
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 46B'Ec
/* --------------------------------------------- */ Q:'r
p
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); BH}M]<5
tGSXTF}G
KUUZN
][XCpJ)8
看了之后,我们可以思考一些问题: }j!C+i
1._1, _2是什么? /)?qD
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。 ?D(aky#cyc
2._1 = 1是在做什么? %MCS_'N
J
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。 voJJoy%
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。 >\3N#S"PF
j9-.bGtm?.
BA8!NR|
三. 动工 AOz~@i^
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: 1qp"D_h
*r7%'K{C
v] m`rV8S[
EiyHZ
template < typename T > <q&i"[^M
class assignment %_~1(Glz
{ {!! 8 *ix
T value; (`R
heEg@f
public : &!FI!T
-WH
assignment( const T & v) : value(v) {} itcM-?
template < typename T2 > #/\Zo &V8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } lsgZ
} ; z f>(Y7M
o|_9%o52'
(UTA3Db
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 WmRu3O
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment IGlM}
?x
#vAqqAS`,
V?-2FK]
M'T[L%AP
class holder 5v sn'=yN
{ AKS. XW
public : |:SIyXGbY
template < typename T > Ix~rBD9
assignment < T > operator = ( const T & t) const mcs!A/]<
{ LC e6](Z
return assignment < T > (t); 57_AJT hR
} 2tQ?=V(Di
} ; _{GD\Ai_W
8v=t-GJW
E
0@u|
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: ]Y$jc
L[U?{
static holder _1; AtqsrYj
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 pr1kYMrqri
\FnR'ne
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); nj-LG!"a
而不用手动写一个函数对象。 1KjzKFnb
Q@"!uB.e
Zq:c2/\c}
lg{M\
+
四. 问题分析 !LsIHDs4
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。 R~;8v1>K
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。 7&(h_}Z
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 ke)<E98DC
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 ,pUB[w\
下面我们可以对这几个问题进行分析。 }*vE/W
Q<yvpT(
五. 问题1:一致性 t"5ZYa
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?| >D_)z/v?"
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 $2a_!/
6zGeGW
struct holder 14(ct
{ hE'>8 {
// `H9!Z$7G
template < typename T > OU*skc>
T & operator ()( const T & r) const j@4]0o
{ mILCC}Kt
return (T & )r; f?(g5o*2
} o?I`n*u"X
} ; 8:Dkf v
/!60oV4p0
这样的话assignment也必须相应改动: ?!3u?Kd
O8-Z >;
template < typename Left, typename Right > vOl3utu7
class assignment 2Tv
W 6
{ //bQD>NBO
Left l; Fw^^sB
Right r; b27t-p8
public : )r(e\_n
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} s~c cx"HH
template < typename T2 > %UG|R:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 8k_hX^
} ; Un&rP70
G)gb5VW k
同时,holder的operator=也需要改动: -oY8]HrXfK
o<5+v^mt#
template < typename T > 'L^M"f^I
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const &M=15 uCK
{ IiY%y:!g
return assignment < holder, T > ( * this , t); J8[aVG
} w,X J8+B
Vw`%|x"Xz
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 th5UzpB4
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 *r|13|k
Rk{vz|
return l(rhs) = r; >xXq:4l>}
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 OJ.oHf=K!
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: TZdJq
\7e4t
template < typename Tp > KYq<n& s
class constant_t IU"8.(;o
{ ly@%1
const Tp t; x6vkd%fCj
public : :]LW,Eql
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} HaF&ooI5+
template < typename T > !lp7}[k<y
const Tp & operator ()( const T & r) const q35=_'\W
{ Vq^b_^
return t; yP34h*0B
} /)4Q%Zp
} ; {&FOa'bP
@2>ce2+
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ]#r Nz"
下面就可以修改holder的operator=了 1\/~>
AU;Iif6
template < typename T > yz)Nco]
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const gA 19f
{ x$pz(Q&v
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); z*o2jz?t4
} bvT$/(7
LwH+X:?i
同时也要修改assignment的operator() t{Ks}9B
-.Zy(
template < typename T2 > y-Lm^GW4
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } x@|10GC#:
现在代码看起来就很一致了。 _J,*0~O$
{l\Ep=O vx
六. 问题2:链式操作 -:Q"aeC5
现在让我们来看看如何处理链式操作。 Wq<HsJd/
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。 y"H(F,(N
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。 %-|$7?~
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 khQfLA
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct VY@`)
m=w #l>!
template < typename T > 'a~F'FN$
struct result_1 w!}kcn<
{ drp< f1`l8
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; $]a*ZHd;2&
} ; &C#?&AQ
X#X/P
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: J~N!. i
MI`<U:-lP
template < typename T > {H
3wL
struct ref ]=Wq&~
{ DH.CAV
typedef T & reference; zXe]P(p<
} ; 8C I\NR{x8
template < typename T > `J;g~#/k
struct ref < T &> w ;:{
{ +77j2W_0
typedef T & reference; ~Yre(8+M
} ; \3x+Z!
cxIAI=JK
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: $6d5W=u$H
K)eyFc
template < typename T > .AF\[IQ
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const U:|:Y=O?Q
{ (
;KTV*1
return l(t) = r(t); yx7y3TSq
} Z/OERO
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。 ]hbrzvo
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 o%$R`;
p`'3Il3
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 )0=H)k0
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: r4]hcoU
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 /5?tXH"
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 ~^o YPd52*
最后的布局是: R-Y 7I
Add V7k!;0u
v
/ \ HUel
Divide 5 ?~oc4J*>(
/ \ d[p?B-7%
_1 3 I"D}amuv
似乎一切都解决了?不。 m4R:KjN*
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。 $-39O3
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。 :6Gf@Z&+
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: iq5-eJmq
W QeQ`pM
template < typename Right > [] R8VC>Ah
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const GwmYhG<{
Right & rt) const u>V~:q\X
{ `Zci<
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); v\5`n@}4
} }50s\H._C
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 cY|@s?3NND
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。 z
AY
-Y
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。 ^fbzlu?G4-
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。 6Zv-kG
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`?o`@vO,
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? {G=|fgz
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: ?%b#FXA
+rKV*XX@
template < class Action > Ubh)}G,Mg
class picker : public Action )OFf nKh
{ eX'V#K#C
public : xBE}/F$45
picker( const Action & act) : Action(act) {} H$6;{IUz~
// all the operator overloaded M4t:)!dji?
} ; pwNF\ ={
QPB^%8
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。 V :lKF')
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: 3.Jk-:u %m
IG!(q%Gf
template < typename Right > AzSmfEaU0
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const tjcsT>
{ w%%*3[--X
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); J #;|P-pt
} H9[0-Ur5
Hr*xA x
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 2xv[cpVi
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。 Q|7m9~
)p{,5"0u
template < typename T > struct picker_maker &HqBlRo
{ f/sLQdK,
typedef picker < constant_t < T > > result; z :A_
} ; :VX2&*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > $]J<^{v
{ s=<65
typedef picker < T > result; a@C}0IP)
} ; ^a7a_M
kXOc)
下面总的结构就有了: lXutZ<S[
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 M'@
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 wjHH%y
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 -.5R.~@
至此链式操作完美实现。 w$jSlgUHy)
:bqUA(k
HHT8_c'CC#
七. 问题3 U(hIT9
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。 $Q= S`z=
9x#Tj/5%
template < typename T1, typename T2 > .cr<.Ov
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const zOYG`:/'
{ {gB9EGY
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); K#R|GEwr
} I.U=%{.
2F/oWt|w?
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: NH+N+4dEO
##s:Ww
template < typename T1, typename T2 > ,2mq}u>WU
struct result_2 8>|<m'e^\r
{ $|I hO
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; nHQWO
} ; qU ,{jD$
p & i+i
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? MSe>1L2=
这个差事就留给了holder自己。 ;Ao`yC2(v
D4T(Dce
.qCI!%fg
template < int Order > ~NIqO4 D
class holder; aX*7tRn_%
template <> $]4o!Z
class holder < 1 > n
m.5!.
{ WdbHT|.Aj
public : %<MI]D
template < typename T > HE+D]7^
struct result_1 PVrNS7 Rk/
{ O{EbL5p
typedef T & result; /{-J_+u*%
} ; Q>WnSm5R
template < typename T1, typename T2 > !y3XIbdS"
struct result_2 3o#K8EL
{ Ba76~-gK$
typedef T1 & result; 8o466m6/
} ; =h/61Bl3
template < typename T > ceae~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 8TYoa:pZ
{ <m%ZDOMa
return (T & )r; -~
Dn^B1^
} I:YE6${k!
template < typename T1, typename T2 > !4$-.L)#
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ]!2[k A-
{ ESuP ZB
return (T1 & )r1; pJ/{X=y
} +ux`}L(
} ; 1/A|$t[
5qkyi]/U8
template <> ',I$`h
class holder < 2 > vQ>8>V
{ s^/2sjoL
public : 5oo6d4[
template < typename T > [2ri=lf,
struct result_1 ;VbB]aUg
{ }*7Gq
typedef T & result; 3w+ +F@(
} ; Gg%pU+'T
template < typename T1, typename T2 > od*#)
struct result_2 >P-'C^:V=
{ r|ogF8YN
typedef T2 & result; x)f<lZ^L&H
} ; '~xiD?:
template < typename T > Sy^@v%P'A
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const kE1k@h#/
{ +[pJr-k
return (T & )r; )2R]KU_=g
} srH.$Y;~
template < typename T1, typename T2 > /1.gv~`+
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const Kj:'Ei7
{ NFI~vkk'G
return (T2 & )r2; 7Kti&T
} a)!R4
} ; *]ME]2qP
8x9;3{R
#y1M1O g
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> >。 Jjh=zxR>
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: $LtCI
首先 assignment::operator(int, int)被调用: >n%ckL|rG
Kp6%=JjO
return l(i, j) = r(i, j); H:o=gP60]
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) /km0[M
LtK,_j
return ( int & )i; 7+rroCr"
return ( int & )j; $^W|@et{
]
最后执行i = j; [V0%=q+ R
可见,参数被正确的选择了。 3C2~heO>|
cd4HbSp
)~#3A@
6`5DR~
$"3cN&
八. 中期总结 QV _aM2
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: _w7yfZLv+
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 h-\+# .YP
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 *?o 'sTH
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor %%lJyLq'Vk
EH]qYF.
TZarI-A
+
,rl\|J%
'fY29Xr^
{-yw@Kq
九. 简化 YyC$\HH6
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。 >FL%H=]
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 :PBW=W
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: m2Wi "X(I_
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 J?f7!F:8
+-*/&|^等 :v^Od W
2. 返回引用。 /Y| <0tq
=,各种复合赋值等 l@>@2CB
3. 返回固定类型。 8 LsJ}c
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ,6x>gcR
4. 原样返回。 RF'&.RtVa
operator, B%z+\<3^q
5. 返回解引用的类型。 l2kUa'O-
operator*(单目) |zOwC9-6
6. 返回地址。 aX.//T:':?
operator&(单目) tQ`|MO&o
7. 下表访问返回类型。 H1$n6J
operator[] l<yYfGO
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 24
RD
operator<<和operator>> 5]2 p>%G
Gl9,!"A
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 I~,b ZA
例如针对第一条,我们实现一个policy类: _BG7JvI
~zQxfl/
template < typename Left > Y$W)JWMY`
struct value_return [!`5kI
{ )-\qo#0l
template < typename T > -K6y#O@@
struct result_1 -6#
_ t
{ A1B%<$|pz
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; ;G*)7fi
} ; k!d<2Qp W
`{Fz
template < typename T1, typename T2 > igF<].'V
struct result_2 0*6Q8`I
{ gN[^ ,u
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ^O&&QR