一. 什么是Lambda ]z5gC`E0
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 4&^BcWqA*f
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, ccJ!N
}|4dEao\
~U_,z)<`)c
s9b 6l,Z
class filler "ju0S &
{ tJ@5E^'4
public :
X00!@
^g
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} < e7
} ; jwZBWt )5
V-%Am
i;8tA!
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: ^PI8Bvs>j
rg{|/ ;imT
9?#L/
0s8w)%4$
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); l-RwCw4f
h?ZxS
kZ3w 2=x3v
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 V+2C!)f(
uGMmS9v$ J
)I`Ma6bX
cN\Fgbt
二. 战前分析 m6oaO9"K
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。 v\:P_J
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 ,wEcRN w
o7;#B)jWS
5T4!'4n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); f]Q`8nU
/* --------------------------------------------- */ !*@sX7H
vector < int *> vp( 10 ); 26Jb{o9Z<
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); *eonXJYD
/* --------------------------------------------- */ Au-h#YV
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); kL1StF#p
/* --------------------------------------------- */ J"Z=`I)KON
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); #N'W+M /
/* --------------------------------------------- */ _wKaFf
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); j6_tFJT
/* --------------------------------------------- */ -@EAL:kY
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); r1)@ 7Nt
#[C=LGi
+__PT4ps
qu:nV"~_
看了之后,我们可以思考一些问题: chF@',9t
1._1, _2是什么?
nW*D
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。 byTTLs,}d
2._1 = 1是在做什么? d1rIU6
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。 3</gK$f2
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 s}3`%?,6y
"$Mz>]3&q
B<" `<oG@|
三. 动工
/$ : w8
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: JgmX=6N
TC+L\7
EDf"1b{PX
W1T%
Q88
template < typename T > Gjh8>(
class assignment ?8GggJC
{ .*(xkJI3
T value; Sb& $xWL
public : !RD<"
assignment( const T & v) : value(v) {} UTLuzm
template < typename T2 > KW1b #g%Z
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } "h'+!2mf
} ; NlG~{rfI
+M=`3jioL
gZHuyp(B
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 n,_q6/!
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment lIUaGz|
j*'+f~A
L]kd.JJvy
Qu;cl/&
class holder ,ut-Di=6
{ 8%ea(|Wjg
public : f)x(sk
template < typename T > (E{}iq@2
assignment < T > operator = ( const T & t) const g]Jt (aYK
{ y<5RV>"Vg
return assignment < T > (t); s ]XZQr%
} o^ zrF
} ; 2Pm[
kD4E=
tSVWO]<
SYE+A`a
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: "\k|Z
ki6Lt
static holder _1; ]T:a&DHC
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 /Bw
<?:
1p5n}|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); mfqnRPZ
而不用手动写一个函数对象。 !*1$j7`tP
4^Y{ BS fF
ZQk!Ia7
, UsY0YC
四. 问题分析 g2;lEW
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。 fg)VO6Wo&
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。 FMi:2.E
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 8g0VTY4$jP
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 Gl"|t't(
下面我们可以对这几个问题进行分析。 QdrZi.qKH
nZ'-3
五. 问题1:一致性 D"V(A \sZ
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| p9>1a j2a
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 OUk"aAo
8<)ZpB,7
struct holder X- ZZLl#
{ 'eo/"~/*w
// O
joa3
template < typename T > U4.$o]58
T & operator ()( const T & r) const n_4 r'w
{ @y'0_Y0-B
return (T & )r; jF}-dfe
} Kl,NL]]4*5
} ; %s! |,Cu
4{@{VsXN
这样的话assignment也必须相应改动: r7,}"Pl
q6,z 1A"
template < typename Left, typename Right > D5bPF~q
class assignment ^TtL-|I
{ {Q}F.0Q
Left l; !:PiQ19
'u
Right r; iF9d?9TWl
public : [j}JCmWY
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} >%ovL8F
template < typename T2 > _6SAU8M,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } gBky ZK
} ; XEnu0gr
/5<= m:
同时,holder的operator=也需要改动: ZfH+Iqd
RG*Vdom
template < typename T > ?j0yT@ G
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const @c-
{ 9O- 2
return assignment < holder, T > ( * this , t); $~S~pvT
} Y
hQ)M5
lLp,sNAj
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 }jUsv8`}8R
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 'Oj 1@0*0
AN:yL
a!
return l(rhs) = r; fZezDm(Q
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 sO`
oapy
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: +SR{FF
c}+*$DeT
template < typename Tp > M+0PEf.
class constant_t 0'Si
^>bW
{ Z6rhInIY
const Tp t; jM&di
public : L;*
s-j6y
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} qXg&E}]:=
template < typename T > }b1FB<e]
const Tp & operator ()( const T & r) const +i!5<nn
{ kDE-GX"Y
return t; r|=1{Nx
} +4.s4&f)
} ; v,S5C
@uH!n~QV
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 c7jmzo
下面就可以修改holder的operator=了 ,`}yJ*7
&DWSf`:Hx
template < typename T > ga;nM#/
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const EB}B75)x
{ VcrMlcnO
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); `;j1H<L
} 4Y8=
,{PN6B
同时也要修改assignment的operator() g{V(WyT@
@P7'MiP]K
template < typename T2 > !-lI<$S:
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } z}[u~P,
现在代码看起来就很一致了。 K=N&kda
9<u&27.
六. 问题2:链式操作 !, BJO3&
现在让我们来看看如何处理链式操作。 JKZVd`fF
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 a51(ySC}<s
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 AwZ@)0Wy
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 05 6K) E
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct 4;6"I2;zfG
nX (bVT4i
template < typename T > 9
Zo s;
struct result_1 zIF1A*UH
{ Yh1</C
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; g$uiwqNA%
} ; >
SZ95@Oh
nGVr\u9z
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: XZOBK^,5^B
q]="ek&_
template < typename T > DghyE`
struct ref x<l 5wh
{ (]q
([e
typedef T & reference; j
EbmW*
} ; :rr<#F
template < typename T > Q,.dIPla
struct ref < T &> rPB Ju0D"
{ tV=Qt[|@
typedef T & reference; 9BakxmAc
} ; @g[ijs\
<2(X?,N5BD
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: oT}$N_gFT
O.dZ3!!+
template < typename T > $~8gh>`]
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const OkRb3}
{ bD
v&;Z
return l(t) = r(t); Z%?>H iy'o
} Lj /^cx
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 ;R+Gf!1
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 htYfIy{5w
%{ U (y#
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 3x(Y+
ymP
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: VN-0hw/A
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 p!E*ANwX
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 l%V+]skS
最后的布局是: qi@Nz=t#HJ
Add )E",)}Nh
/ \ }Q[U4G
Divide 5 9F3aT'3#!
/ \ G9S3r3
_1 3 .&u
@-Vm
似乎一切都解决了?不。 y@}WxSK*0
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 Urw =a$
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。 C|
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: hAgrs[OFj
FS7D
template < typename Right > VVF9X(^rQ
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const r{~b4~kAf5
Right & rt) const [g==#[
{ <}^p5|
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); "Ml#,kU<T
} YPs9Pqkn
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 shLMj)7!
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。 ;Zf7|i`R3
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。 HII@Ed f?
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。 G_WFg$7G%
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。 ~- aUw}U
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? )REegFN@
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: t%y
i3
>z3l@
template < class Action > x[&)\[t
class picker : public Action P(\x. d:
{ ZRGe$HaU
public : E.B6u, Te
picker( const Action & act) : Action(act) {} Qp@}v7Due
// all the operator overloaded D=f$-rn
} ; Z@ec}`UO|u
A(XX2f!i
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。 {iQ4jJ`n
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: iYW<qgz
-lfbn=3
template < typename Right > f DXTedrG/
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const xgsEe3|
{ A/ Sj>Y1j
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); H ~<.2b
} H.Z<T{y;
R-k~\vCW
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > Yi`DRkp]3
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。 nWd;XR6|
eS%8WmCV9<
template < typename T > struct picker_maker 1#zD7b~
{ Z0 c|;
typedef picker < constant_t < T > > result; L 'e|D=y
} ; X4k|k>
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > i"^ yy+
{ 7?y([i\y
typedef picker < T > result; n482?Wp
} ; &jrc]
)ItW}1[I
下面总的结构就有了: i2)$%M&
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 1,n\Osd
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 uOx"oR|
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 3'55!DE
至此链式操作完美实现。 aC3Qmo6?m
s +0S,?{$
Rz<'&Z>;
七. 问题3 m-9ChF:U
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。 ,C^u8Z|T
dFk$rr>q
template < typename T1, typename T2 > F>k/;@d
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 4SIS#m
{ (Wn^~-`=+
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); gZL,xX
} Cv<
s|
M?qvI
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: =]L ALw
Ee{Y1W
template < typename T1, typename T2 > PSU}fo
struct result_2 xQxq33\
{ Md*.q^:
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; v+DXs!O{
} ; nCLEAe$W\=
b%xG^jUXsX
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? GjX6noqT
这个差事就留给了holder自己。 V?n=yg
CE|rn8MB
V17!~
template < int Order > ;y-sd?pAk
class holder; be
HEAQ
template <> j;EH[3
class holder < 1 > xC 4L`\
{ Ed1y%mR>
public : Oh,]"(+
template < typename T >
=tc!"{
struct result_1 2CV? cm
{ 2k^'}7G%
typedef T & result; e_IRF+>
} ; [6\b(kS+
template < typename T1, typename T2 > z2 mjm
struct result_2 1H8/b D
{ bv}e[yH
typedef T1 & result; FQ u c}A
} ; f7&9IW`7F^
template < typename T > U.N?cKv
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 6K^O.VoV^J
{ 0@Z}.k30
return (T & )r; aAgQ^LY
} M<P8u`)>4H
template < typename T1, typename T2 > N t\ZM
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const WF<3
7"A@
{ gKtgW&PYm
return (T1 & )r1; 4B)%I`
} }ldpudU
} ; \t)`Cp6,[b
Y}
6@ w
template <> od^ylg>K
class holder < 2 > BO.Db``
{ \} _,g
public : IRTD(7"oyp
template < typename T > pj7v{H +
struct result_1 /y(0GP4A
{ iU AY
typedef T & result; I{=Yuc
} ;
m~uT8R#$
template < typename T1, typename T2 > /@I`V?Q!a
struct result_2 fElFyOo+
{ `\f 3Ij,
typedef T2 & result; 2OQ\ z;s
} ; L@Q+HN
template < typename T > Eihn%Esa
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const PbsxjP
{ \>X!n2rLZe
return (T & )r; Fu5c_"!
} ;; ;=)'o
template < typename T1, typename T2 > Q!_d6-*u
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 6[SIDOp*^
{ <y?=;54a
return (T2 & )r2; {8h[Bd
} p}<60O"r$
} ; gtePo[ZH.P
b'Km-'MtH
9Vo*AK'&U
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> >。 dqs~K7O^E
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 5DVYHN9c|
首先 assignment::operator(int, int)被调用: !-%XrU8o3
5{Q9n{dOh
return l(i, j) = r(i, j); 5~j#Z (}u
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 52zE -SY
L#zD4L
return ( int & )i; &BRa5`
return ( int & )j; 9g>)7Ne
最后执行i = j; ?)186dp
可见,参数被正确的选择了。 ,[)l>!0\H
AV7#,+p%G
5OzEY7K)
0^sY>N"
Y~e)3e
八. 中期总结 I7~) q`
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<_
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 >0W
P:-\*
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+7)cI
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor w jD<"p;P
g,rmGu3v
X-(4/T+v
J=t}9.H~=
8-Y*b89
8-B7_GoJ+B
九. 简化 KmTFJ,iM
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。 a4*976~![
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 "ayV8{m^3
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: BdF/(Pg
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 pCA`OP);=
+-*/&|^等 6#!CBY^{
2. 返回引用。 J E7m5kTa
=,各种复合赋值等 849,1n^
3. 返回固定类型。 )iQ^HZ
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 8hD[z}
4. 原样返回。 4P k%+l
operator, _eOC,J<-~
5. 返回解引用的类型。 CV.|~K0O
operator*(单目) ws+ '*7
6. 返回地址。 vxj:Y'}
operator&(单目) "(7y%TFt:
7. 下表访问返回类型。 } &B6
operator[] ,MNv}w@
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 ZK+F<}
operator<<和operator>> KE~Q88s
suwR`2
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。 hm! J@
例如针对第一条,我们实现一个policy类: ?$ e]K/*
gVfFEF.
template < typename Left > 3ai[ r
struct value_return L)J1yw
{ t4_yp_
template < typename T > \ +%~7Bi]z
struct result_1 t-iXY0%&
{ 9 A ?{}c
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; '7sf)0\:<p
} ; S
F*C'
.iRKuBM/
template < typename T1, typename T2 > vS>'LX
struct result_2 kg]6q T;Y
{ e=OHO,74z"
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; KHML!f=mu
} ; OR+qi*)
} ; 0]|`*f&p;
0w3c8s.
E{u6<