一. 什么是Lambda 0eGz|J*7
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 sjZ@}Vk3b
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, gB3Tz(!
4Y2!q$}I+
8|z@"b l)
lU`}
class filler H% peE9>$
{ ;JD/4:
public : ^&!SnM
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} Smt&/~7D%
} ; c %jW'
ezq<)gJc
/8Sr(
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: G1=/G
=tKb7:KU
(GeOD V?U
^$!H|
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); P^)J^{r
Z\\'0yuY(
+Fk]hCL
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 {o."T/?d'
iI]E%H}
I+!?~]AUuq
@VzD>?)
二. 战前分析 N!{waPbPi
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 ,\DSi&T
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 <Z>p1S
nNEIwlj;
J7RO*.O&Iq
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); 'm4v)w<y#
/* --------------------------------------------- */ JZUf-0q
vector < int *> vp( 10 ); !4/s|b9K
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); Ag82tDL[u
/* --------------------------------------------- */ fF|m~#y
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); G-DvM6T
/* --------------------------------------------- */ !W4X4@
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); dsUt[z1w5
/* --------------------------------------------- */ &gr)U3w
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); +kj
d;u#
/* --------------------------------------------- */ ]\.3<^
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 3G.-JLhs
Y)ig:m]#
~Pm[Ud
@hG]Gs[,o
看了之后,我们可以思考一些问题: OsGKlWM/
1._1, _2是什么? `{B<|W$=
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。 W]-c`32~S
2._1 = 1是在做什么? vJ a?5Jr
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。 j1sgvh]D
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。 [b?[LK}.
?r%kif)
rIhe}1
三. 动工 H6vO}pq)r
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: R #\o*Ta
k^:+Pp
&~
.n}h&
2Sha&Z*CE
template < typename T > &x#3N=c#
class assignment iiWm>yy
{ P'Gf7sQt7
T value; Q2 S!}A
public : N+#lS7
assignment( const T & v) : value(v) {} YM`I&!n
template < typename T2 > 5ieF8F%
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } ]iHSUP
} ; =9;2(<A
Yo^9Y@WDW
\Q~HL_fy|Y
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 LPRvzlY=
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment R/|2s
h%[1V
DQ{"6-
@krh <T6|
class holder tm#[.
{ =*\(Y(0
public : tDQo1,(oY
template < typename T > z"PU`v
assignment < T > operator = ( const T & t) const Vgg'5o&.
{ C
U 8s*
return assignment < T > (t); : 6|nXL
} [a2Q ^ab
} ; i9O;D*
7FYq6wi
vkK8D#K
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: c)q'" r
'#ow9w+^
static holder _1; -n#fj;.2_
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 P6~&,a
5W4Tp% Lda
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); )"sJaHx<
而不用手动写一个函数对象。 G>?'b
6jpfo'uB$
i[r>^U8O
BHrNDpv
四. 问题分析 kWm[Lt
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。 |-zefzD|
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。 {@*l ,[,5-
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 rIRkXO)
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 '6zk>rN
下面我们可以对这几个问题进行分析。 ^a #
C%T$l8$
五. 问题1:一致性 CeD(!1VG
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?| v;$cx*?
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;>jLRx<KC
#}8 x
struct holder [`/d$V!e
{ KpF/g[m
// yE=tuHv(0
template < typename T > !IAd.<,
T & operator ()( const T & r) const 0J5IO|1M
{ p/4}SU
return (T & )r; .'Rz
tBv
} v_L?n7c
} ; sNbCOTow
qV&ai {G:
这样的话assignment也必须相应改动: YLkdT%
y|h:{<
template < typename Left, typename Right > vIpitbFC
class assignment 'j oE-{
{ {+@M!
Left l; &|#z" E^-
Right r; 34s>hm=0.
public : hutdw>
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} hY}.2
template < typename T2 > ~X2
cTG!,
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } ov%.+5 P
} ; s{@3G8
^^+vt8|
同时,holder的operator=也需要改动: =CGB}qU l0
I?#B_ R#
template < typename T > 1 ,e`,
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ^ygh[.e,
{ RAY.]:}jr
return assignment < holder, T > ( * this , t); =qy{8MsjA
} s3+6Z~g'B
=! P
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。 fF.qQTy;7
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 =Xu(Js-
eczS(KoL4
return l(rhs) = r; NoD\t(@h
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。 ;{S7bH'6m
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Zzea
jdW#;
]7+y
template < typename Tp > yr,Oq~e
class constant_t ^/_1y[j
{ .In8!hjYy4
const Tp t; 03^?+[C
public : e}bY9
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} ly)L%hG
template < typename T > kp>AZVk
const Tp & operator ()( const T & r) const ; w+<yW}EL
{ ^eHf'^Cvvu
return t; g)UYpi?p-}
} 3X]\p}]z
} ; 1EcXvT=
n1+,Pe*)
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 [>xGynU0
下面就可以修改holder的operator=了 M%@=BT
O}cg1Q8p
template < typename T > y
jQpdO
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const :^*9Eb
{ &.`/ln
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); n=tg{_9f%
} <'l;j"&lp
<h<4R Rj
同时也要修改assignment的operator() Yh9fIRR
D`fi\A
template < typename T2 > WlfS|/\%V^
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } w$)E#|i
现在代码看起来就很一致了。 6z>Zm1h
(25v7Y]
六. 问题2:链式操作 hY^-kdQ>M
现在让我们来看看如何处理链式操作。 {nyVC%@Y
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 elw}(l<F
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 WzxDnd<B
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 50J"cGs~
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct Q?"-[6[v
@o6^"
template < typename T > 53jtwklA
struct result_1 o;<oXv
{ Bp:i[9w
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; a eo/4
} ; PN@[k:5(
I~:
AWS9
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: fsVQZ$h73
^7O,Vk"Z
template < typename T > G: p!PB>=
struct ref d/3
k3HdL
{ H;nq4;^yK
typedef T & reference; 6:o?@%
} ; >xa k
template < typename T > u%`4;|tI
struct ref < T &> |e#ea~/b
{ +ysP#uAA
typedef T & reference; \JX.)&>
-
} ; glvtumv
#6 yi
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: U3zwC5}BN
\%ZF<sVW
template < typename T > p"XQJUuD
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const I%q&4L7pj
{ 7
*#pv}Y
return l(t) = r(t); r\sQ8/
} k2S6 SB
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。 MX.=k>
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 !Qd4Y=
E*_lT`Hzf
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 V$7SVq
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: U]h5Q.<SG
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 !ENb \'>J>
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 &v#*
最后的布局是: #[a+m
Add 1*!`G5c,}
/ \ {Noa4i
Divide 5 zFtRsa5+
/ \ 7k>sE
_1 3 aH1mW;,1u
似乎一切都解决了?不。 8>sToNRNe
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。 BEv>?T
0
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。 !Xbr7:UPN1
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: C$1}c[
2nFSu9}+r
template < typename Right > XdDy0e4{%<
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const .CL\``
Right & rt) const fem>WPvG
{ ~Z'3(n*9
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ^dzg'6M
} K8l|qe
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 U_UX *
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 .d;XLS~
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 \HzI*|*A
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 fi2@`37PM
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 <R.5Ma
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? N:y3tpG
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: m-Uq6_e
LI&+5`
template < class Action > o!3 -=<^
class picker : public Action [8VB"{{&
{ TuBl9 p'6
public : Xh,{/5m
picker( const Action & act) : Action(act) {} <E(#;F^y
// all the operator overloaded l(T CF
} ; )bqfj>%#c
/Wh}
;YTv^
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 >g]kbes-\
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: /l,V0+p
Qn77ZpL:LJ
template < typename Right > FX FTf2*T
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const xsx
@aF
{ 62&(+'$n
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Ew=8"V`C
} 8/;q~:v
|8$x
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > \S)\~>.`y!
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。 ?dukK3u
TvE M{
template < typename T > struct picker_maker i'5Q.uX
{ _U.D*f<3)
typedef picker < constant_t < T > > result; n+M:0{Y|
} ; pr8eRV!x
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > dooS|Mq
{ 4dXuy>Km
typedef picker < T > result; @LS*WJ< w-
} ; 99@uU[&IJ
n#
%mL<
下面总的结构就有了: u6AReL'f
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。 ZkW,
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。 a{7>7%[
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 sS,Swgr
至此链式操作完美实现。 F#X&Tb{
-bo5/`x
eU"!X9
七. 问题3 $&96qsr
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。 (KDUX
t.
Tw< N
template < typename T1, typename T2 > a a=GW%
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 0Ii*
"?s
{ dyRKmLb
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); 9pKN^FX,76
} !F*7Mif_E
O+Fu zCWj
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: gRS}Y8
i2SR.{&
template < typename T1, typename T2 > ,F7W_f#
@3
struct result_2 bb#F2r4
{ hHsCr@i
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 0*MY4r|-
} ; V]cD^Fqp
$9DV}
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? %vvA'WG
这个差事就留给了holder自己。 I
@TR|
H 3YFbR
.eAN`-t;
template < int Order > |1zoT|}q
class holder; G[1:<Vg8
template <> sr+*
q6W
class holder < 1 > Q#
w`ZQX3
{ _-$"F>
public : WG8}}`F|
template < typename T > ,y}?Z8?63
struct result_1 7q<2k_3<
{ &13qlc6
typedef T & result; k{<]J5{7
} ; f"zXiUV
template < typename T1, typename T2 > &v7$*n27
struct result_2 bI
3o|
{ 5t`< KRz)I
typedef T1 & result; w yP|#Z\
} ; rmS.$h@7 m
template < typename T > n`Pwo&
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const HV-c
DL
{ ld8 E!t[
return (T & )r; !%{/eQFT4
} B#Cb`b"
template < typename T1, typename T2 > o(GXv3L
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const p]/HZS.-b
{ m?DI]sIv#
return (T1 & )r1; f 4CS
} U|QLc
} ; ~Rd,jfx
3 f=_F
template <> j^#4!Ue
class holder < 2 > 9MQ!5Zn
{ S)T]>Ash
public : { O+d7,C
template < typename T >
#nV F.
struct result_1 Gf'qPLK0
{ G+2!+N\P
typedef T & result; u`I&&
} ; ;i*<HNQ
template < typename T1, typename T2 > kR2kV"-l
struct result_2 DPCB=2E
{ r(;sX
typedef T2 & result; 0Q?XU.v
} ; d[mmwgSR?I
template < typename T > v?e@`;-
<
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const F?#^wm5TZ
{ 6-8,qk
return (T & )r; xj8yQ Y1
} 0$)uOUVJ
template < typename T1, typename T2 > HBHDu;u
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const \$GM4:R D
{ mw2/jA7
return (T2 & )r2; ]X
y2km]
}
q1!45a
} ; 32nB9[l
UnSi= uj
Fk(nf9M%
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 _L}k.
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: to-DXT.
首先 assignment::operator(int, int)被调用: m)l<2`CM
B:Y"X:Y
return l(i, j) = r(i, j); iNj*Gj
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) g\_J
DFDlp
return ( int & )i; O# n<`;W
return ( int & )j; !C13E lf
最后执行i = j; ZfM DyS$.
可见,参数被正确的选择了。 MIa#\tJj
{k
BHZ$/
zh8\
_>+
+9LIpU&5
HK_Vk\e
八. 中期总结 ^n Gj 7b
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: Hw"LoVh
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 r<< ]41
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 t&5N{C:
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor O5X@'.#rU
u!4i+7}
ViZ Tl~
xF4S
VcI'+IoR?
[;6,lI}
九. 简化 C_CUk d[
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 p;#@#>h
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 \
@XvEx%
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: }eKY%WU>O
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 TS2zzYE6Z
+-*/&|^等 ;iA6[uz
2. 返回引用。 ) W,tL*9[
=,各种复合赋值等 bhk:Szqz
3. 返回固定类型。 d\eTyN'rA
各种逻辑/比较操作符(返回bool) }4$k-,1S
4. 原样返回。 'Cr2&
dy
operator, w3hG\2)[HS
5. 返回解引用的类型。 dgbqMu"
operator*(单目) i&K-|[3{g
6. 返回地址。 4~8!3JH39
operator&(单目)
Dk^,iY(u
7. 下表访问返回类型。 su2|x
operator[] E4}MU}C#[
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 E^ub8
operator<<和operator>> Y\7WCaSgi
z5njblUz
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。 9:\#GOg
例如针对第一条,我们实现一个policy类: @wVq%GG}
P5?M"j0/^
template < typename Left > B}?$kp
struct value_return 0NB5YQ8_]
{ 5vP=Wf cW
template < typename T > d ,"L8
struct result_1 G~.bi<(v
{ i>elK<R4
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; PxAUsY
} ; 6gy;Xg
V1l9T_;f
template < typename T1, typename T2 > K>a@AXC
struct result_2 bM@8[&ta
{ Ca]V%g(
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; Aq]*$s2\G
} ; @Z+(J:Grm5
} ; [D$%LR X
w^EUBRI-
zn+5pn&?
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait rl__3q
;o#wK>pk%M
下面我们来剥离functor中的operator() .&Ik(792Z&
首先operator里面的代码全是下面的形式: .\rJ|HpZ1J
1yK=Yf%B
return l(t) op r(t) !C6[m1F
return l(t1, t2) op r(t1, t2) }LA7ku
return op l(t) bVgmjt2&>
return op l(t1, t2) QKP@+E_U
return l(t) op &YpWfY&V