一. 什么是Lambda kt kS$
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 ?zf3AZ9
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, ] &SmeTe
?Yx2q_KZk
!DUOi4I
CM6! 1 7
class filler [{>3"XJ'
{ ;U3K@_
public : 1p$ *N
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} /l+"aKW
2
} ; gtIEpYN+
sm{/S*3
j'OXT<n*
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: I%b5a`7
$3gM P+
"<Yxt"Z4
<g&.U W4
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 2PSkLS&IM
}=B~n0
u08j9)
,4
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 l;$FR4}d
=q>lP+
=:t<!dp
noLr185
二. 战前分析 ; K,5qs
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。 | )br-?2
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 <9\Lv]ng
i/Nc)kKL
RN}joKV
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); D2J)qCK1)
/* --------------------------------------------- */ C$$Zwgy
vector < int *> vp( 10 ); RR|X4h0.
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); VrWQ] L
/* --------------------------------------------- */ 6@"E*-z$
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); {c~w
Ms#
/* --------------------------------------------- */ Q`{Vs:8X
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); n/`!G?kvI
/* --------------------------------------------- */ [mj=m?j
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); Qn~{TZz
/* --------------------------------------------- */ A'Z!l20_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); k2fJ
gvPHB+#A
S(^YTb7
&kn?=NW
看了之后,我们可以思考一些问题: _z1Qr?cY
1._1, _2是什么? 7IQaXcl
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。 'T(Q
2._1 = 1是在做什么? @$Yk#N;&(
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 {NcJL< ;tS
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 VbTX;?
|`pBI0Sjo
<WnIJum
三. 动工 4.Fh4Y:$'
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: um%s9
'+ mI
atW^^4:
t~)4f.F:
template < typename T > nE?:nJ|%E
class assignment Ujqnl>l
{ /D yig
T value; i[MBO`FF
public : y~Yv^'Epf
assignment( const T & v) : value(v) {} ,7 m33Pv*
template < typename T2 > }_-tJ.
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } X"mPRnE330
} ; W7(5z
X-Ev>3H
:fnJp9c
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 %Pl |3 i
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment }D`ZWTjDay
,9"du
4=`1C-v?q
X$G:3uoN
class holder r\}?HS06
{ \){_\{&
public : Pa#Jwo
template < typename T >
Lsai8 B
assignment < T > operator = ( const T & t) const hN*v|LFf1
{ 3sIdwY)ZS_
return assignment < T > (t); '4D7:
} *3OlWnZ?
} ; Bn%?{z)
*_mER`
/;:4$2R(;
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: J_j4Zb% K
>e(@!\ x
static holder _1; MxUQ F?@6
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 /?0|hi<_$
#%8)'=1+4?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); L>&{<M_
而不用手动写一个函数对象。 pAqPHD=
O*lIZ,!n
XiV
K4sD8
b6H7>x
四. 问题分析 VKw.g@BY
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。 XR p60i6f
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。 ,\1Rf.
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 N)a5~<fBG
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 {?++T 0
下面我们可以对这几个问题进行分析。 '66nqJb*
QFN 9j
五. 问题1:一致性 M?;YpaSe+
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?| _VM}]A
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;49sou
#c"05/=A
struct holder pIug$Ke_%
{ H;@0L}Nu+}
// gNZ"Kr o6
template < typename T > F&^&"(H}
T & operator ()( const T & r) const 1{RA\CF
{ %KN2iNq
return (T & )r; %Wm)
} (Rp5g}b
} ; #7sxb
m*h O@M
这样的话assignment也必须相应改动: ~(NFjCUY?
1K)9fMr]
template < typename Left, typename Right > AAuwE&Gg
class assignment cVarvueS
{ =Lb(N61
Left l; /UY'E<wBx
Right r; L_+Fin
public : nB[B
FVkU
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} X+ybgB4(
template < typename T2 > cG 3tn&AXi
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 09 f;z
} ; }5z!FXB
#N'9F&:V$
同时,holder的operator=也需要改动: s<:);-tL
33a}M;vx
template < typename T > a@9W'/?igk
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const |mdf u=
{ 0R0_UvsXU
return assignment < holder, T > ( * this , t); q$s)(D
} \f VX<L
mi5bk>o
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 /xr75|-8
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 EG_P^<z
KV'3\`v@LY
return l(rhs) = r; .m%5Esx
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 ZEpu5`
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: >* F#ZZv}p
HCYy9
template < typename Tp > bP|-GCKM8
class constant_t \<y|[
{ Y{@foIZ
const Tp t; pe).
public : _j{)%%?r
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} `r}a:w-
template < typename T > Y(ClG*6 ++
const Tp & operator ()( const T & r) const *_Ih@f H
{ 74(bo\
return t; qC=ZH#
} 7C_U:x
} ; Dr(;A>?qG
Ra^c5hP:.E
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 1gvh6eE
F
下面就可以修改holder的operator=了 hh.`Yu L
B{S^t\T$
template < typename T > ]n'.}"8Kn
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const nDLiER;U
{ %x}Unk
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); }XRfHQk
} ^L\w"`,~
]D^; Ca
同时也要修改assignment的operator() Y[m*
D$D;'Kij
template < typename T2 > ymR AQVv
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } )U0I|dx
现在代码看起来就很一致了。 5l(@p7_+
7E?60^Tve
六. 问题2:链式操作 goD#2lg
现在让我们来看看如何处理链式操作。 9`@}KnvB?
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 @)z?i
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 e;"%h%'
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 p}K+4z
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct jCg4$),b
u)/i$N
template < typename T > 'g}Q@@b
struct result_1 a+9_sUq
{ \!0~$?_)P
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; 3cNr~`7
} ; Y]B9*^d<
q'Y)Y(d
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: u=#_8e(9Z
[?]p I
template < typename T > z}*L*Sk
struct ref mhs%8OTN
{ =}e{U&CX
typedef T & reference; ws,VO*4
} ; ? fM_Y
template < typename T > 'X_%m~}N
struct ref < T &> =;?Maexp3$
{ x51xY$M
typedef T & reference; H4M`^r@)'
} ; \#"&S@%c
q _:7uQ
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: /q"8sj/
)G#O# Yy
template < typename T > 3Ea/)EB]
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const BG]|iHi
{ Xcg+ SOB
return l(t) = r(t); Xupwh5G2
} %kQ[zd^
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 Dkg-y9
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 3Z%jx#
WxtB:7J
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 K#yCZ2
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: WtMDHfwqu\
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 d#I; e
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 0F&(}`V
最后的布局是: `2HNQiK'@
Add <*ME&cgh4
/ \ DM(c :+K-
Divide 5 'puiahA
/ \ .bRDz:?j
_1 3 bHzH0v]:
似乎一切都解决了?不。 cNl$
vP83z
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。 -e *(+
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。 5&134!hC
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: LD}<|
ovvg"/>L
template < typename Right > eTY(~J#'
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const ]; B`'Ia
Right & rt) const M-C>I;a
{ 5F1P|t#
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); zZPXI&,
} AUr~b3< 6
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 u#$sO;8s
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 ]"\sd"
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 Cs^'g'
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 w?R#ly
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 aR%E"P-6l
且慢,也许立刻就有人跳出来说:这样的话那个XXX怎么写呢?这样不是会导致循环依赖么?这样不是会有downcast么? @ |(Tg
正解,让picker做基类确实不是一个好主意。反过来,让picker继承functor却是一个不错的方法。下面是picker的声明: "^VPe[lA
(<Kf
template < class Action > q]P$NeEiZ"
class picker : public Action }>'1Qg
{ E*}1_,q)
public : C4eQ.ep
picker( const Action & act) : Action(act) {} |v h{Kb@
// all the operator overloaded ;n/04z
} ; )zo:Bo
.<
6>Is-/hsy
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。 9aY}+hgb#
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: mGc i>)2
9?+?V}o
template < typename Right > tE:6
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const "!PN +gB
{ QG;V\2T2[
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); aByd,uSe)_
} R!RgQwEak
7JLjA\k
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > nSbcq>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。 " VSma
h09fU5l
template < typename T > struct picker_maker S&Sa~Oq<o
{ ,4S6F HK
typedef picker < constant_t < T > > result; 'oZdMl&
} ; oP`Qyk
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > @kB^~Wf
{ ""_%u'7t5I
typedef picker < T > result; Z
WhV"]w&
} ; l9F]Lw
T^
RYN
下面总的结构就有了: rL6Y4u0e%
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。 MtBoX*"
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。 91}kBj
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 h@D!/PS
至此链式操作完美实现。 PKX
Tj6hj)
mP-Y9*k
rjwP#
七. 问题3 HH7Bg0=(
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。 4inMd![
e!1am%aE
template < typename T1, typename T2 > !sh>`AF
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const ,h* 'Cs04h
{ 70T{tB
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Q>l5:2lq
} G"F:68
N/r8joi#
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: aQL$?,
^7V{nT@H3
template < typename T1, typename T2 > $5J~4B"%3
struct result_2 I{uwT5QT-
{ H.!\j&4j
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Bx ru7E"
} ; Cg];UB}k
nT/Azg
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 78FLy7
这个差事就留给了holder自己。 M IR))j;
URDXyAt
w8(z\G_0
template < int Order > E)Cdw%}^
class holder; [D<"qT^*z6
template <> ?9:~d#p
class holder < 1 > 2D'$
{ 3 UG
UZ
public : e c4vX
template < typename T > W$Op/
struct result_1 *dX
7
{ t4r%EP|Zt
typedef T & result; U6LENY+Ja
} ; oaM3#QJ
template < typename T1, typename T2 > |HA1.Y=
struct result_2 ,2Q5'!o
{ "4/J4'-
typedef T1 & result; lD@`xq.M;
} ; ;&ypvKG
template < typename T > )LjW=;(b
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const pij%u<
{ .5GGZfJ]
return (T & )r; |,WP)
} ,*d<hBGbh
template < typename T1, typename T2 > {*AYhZ
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ! ^TCe8
{ tY!GJusd
return (T1 & )r1; bTW#
f$q:4
} RKO}
W#?
} ; _REAzxeS
q?bKh*48
template <> Q;0g
class holder < 2 > 3\0,>L9ET@
{ @XN|R
public : M|}V6F_y
template < typename T > L<[%tv V
struct result_1 y5`$Aa4~
{ 9;`E,w
typedef T & result; <@J0
770
} ; %v,a3^Qu
template < typename T1, typename T2 > $`6Q\=*R/
struct result_2 cOvdC4
{ s1%th"e
[
typedef T2 & result; O("13cU
} ; X@H/"B%u2
template < typename T > `tEW.s%Y(6
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ?[c{pb,|
{ F$te5 `a
return (T & )r; 2dJP|T9H
} 7 L$\S[E
template < typename T1, typename T2 > \,-e>
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const +CXtTasP
{ n+SHkrW
return (T2 & )r2;
-wQ@z6R
} nIf~ds&TT
} ; U~q2j#pJ
/uJ(W
}5]7lGR
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 VhLS*YiSY
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的:
B*AB@
首先 assignment::operator(int, int)被调用: J)._&O$
JXF0}T)C
return l(i, j) = r(i, j); !YENJJ
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) cN%@
nW0i
KK,
t !a
return ( int & )i; _o'a|=Osx>
return ( int & )j; g1&>.V}!
最后执行i = j; EClx+tz;`
可见,参数被正确的选择了。 \x<i6&.
T*jQzcm~?
6}>CPi#
i>%A0.9
(DY&{vudF
八. 中期总结 @cu#rWiG
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: \/F*JPhy
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 XWag+K
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 L*(`ccU
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor G|.6%-
#&K? N
Ox9M![fC
UOn:@Qn
!Wz4BBU8o
`CY c>n"
九. 简化 WYd9p; k
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。 r2T$
;m.
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 vq:?a
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: 0^K2"De
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 -1} &\=8M
+-*/&|^等 +,T z +!
2. 返回引用。 >9<