一. 什么是Lambda )moo?Q
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 \qRjXadj
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, %y!
`W
D*Q-&n
@m }rQT
5IwX\
class filler `*|LI
{ H@Kl
public : zvWO4\
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} zS,%msT^A
} ; Y!Usce
(0O`A~M3
R4[. 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: MM/BJ
/5a$@%
U+I3 P
&8IWDx.7}
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); mNGb}
lR
V;/
XG}M
w;z@py
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 WXRHG)nvL
{[H4G,QK
~x76{.gT
#J'Z5)i|
二. 战前分析 hCSRsk3
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 W ??;4
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 2{jtQlc
iA5*
_tK5
1gf/#+$\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]Hv*^Bak
/* --------------------------------------------- */ ])3lH%4-
vector < int *> vp( 10 ); _.oRVYK/
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); &h_d|8
/* --------------------------------------------- */ 9}? 5p]%
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); UEx(~>
/* --------------------------------------------- */ \1eKY^)2
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); 5)/4)0
/* --------------------------------------------- */ hVTyv"
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); \=
)[
/* --------------------------------------------- */ (\[jf39e
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 3D[:Rf[
qP%Smfp6
4n`[S N
Cb!`0%G
看了之后,我们可以思考一些问题: NzwGc+\7}
1._1, _2是什么? W0p#Y h:{_
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。 s/k
2._1 = 1是在做什么? ?eYchVq
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。 eB} sg4
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。 m
bB\~n
l7=$4As/hI
:7 s#5b
三. 动工 -wG[>Y
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: \&l*e
xKkVSEup
KU8Cl>5
;
HR\R
template < typename T > A[wxa
class assignment g&5pfrC [
{ _s*uF_:3
T value; ;dpS@;v
public : PHE;
assignment( const T & v) : value(v) {} O23]!S<;
template < typename T2 > kW7&~tX
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } k~W;TCJs
} ; mt&JgA/
! X#3w-K
EeF n{_
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 PN)TX~}
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment 2t
Z\{=
k[^}ld[
: \ON+LQr
;Wp`th!F
class holder &p(*i@Ms
{ BLYk
<m
public : $`+~QR!h
template < typename T > ;d'O. i=
assignment < T > operator = ( const T & t) const 7\|NYT4
{ _4x[}e7KF
return assignment < T > (t); Qnu&GBM
} ~[bMfkc3
} ; VN55!l'OV
J6?_?XzToT
pCud`
:o"
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: `h%D\EKeB
tz \:r>3vI
static holder _1; Y-q,Ovf!
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 tMs|UC
;7hX0AK
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]jT[dX|?
而不用手动写一个函数对象。 ~wd?-$;070
CI3_lWax%
'~vSH9nx/
tg%WVy2
四. 问题分析 KE|u}M@v6
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。 d .lu
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"zgBB?K6
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 H2tpP~!G
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 qI/r_
下面我们可以对这几个问题进行分析。 H1c|b!C
^`PSlT3<F
五. 问题1:一致性 G^eFS;
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?| &>^Ympr
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 bD^ob.c.A
+^% &8<
struct holder 07WIa@Q
{ $hY]EB
// nQ(:7PFa'
template < typename T > %:8q7PN|
T & operator ()( const T & r) const n;T
{ o\V4qekk
return (T & )r; UBk
5O&
} U3R`mHr0
} ; :|6D@
.$E~.6J %i
这样的话assignment也必须相应改动:
8 $*cfOC
TKs@?Q,J
template < typename Left, typename Right > rgY?X$1q_
class assignment K&~#@I;
{ }n&JZ`8<s
Left l; 1*`JcUn,>
Right r; #z54/T
public : 4O,a`:d1$6
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} PI<s5bns
{
template < typename T2 > ,i((;/O6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } j*lWi0Z-
} ; 0$dNrq
zyQEz#O
同时,holder的operator=也需要改动: .6-o?=5
z&/
o
template < typename T > -<^Q2]PE;
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ve/6-J!5Y.
{ aRb:.\ \zc
return assignment < holder, T > ( * this , t); vWfef~}~
} 3<Y;mA=hw
\YF!< 2|[
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。 5T@'2)BI=
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 f#-T%jqnK
we).8%)'
return l(rhs) = r; ]R.Vq\A%S
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。 vWU4ZBT8G
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: Tqh Rs
HC, 0"W
template < typename Tp > @^jLYu|W
class constant_t 4]Nr$FY
{ .&!{8jBX
const Tp t; vM;dPE7
public : 6L% R@r
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} S{|)9EKw
template < typename T > -`1L[-<d=/
const Tp & operator ()( const T & r) const BGYm]b\j[
{ K`83C`w.
return t; P\4o4MF@K
} TVh7h`Eg
} ; :s985sEv
[
:(M<u`y>
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 F[giq1#
下面就可以修改holder的operator=了 X#C7r@H
X{5 DPhB,
template < typename T > $GKm`I"
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const e<wj5:M|
{ +s 0Bt '
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); u5|e9(J
} ^i k|l=
~(E8~)f)
同时也要修改assignment的operator() f9bz:_;W_
S#z8H+'
template < typename T2 > 2gI_*fG1
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } 9&FV=}MO
现在代码看起来就很一致了。 ,TA[el%#
j`pR;XL1[
六. 问题2:链式操作 i*E`<9
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ee?ZkU#@
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。 %* ;
8m'
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。 c|a|z}(/J
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。 fmN)~-DV9`
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct JF=ABJ=
IYC#H}
template < typename T > PP`n>v=n
struct result_1 f__WnW5h
{ h\ek2K
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; ,H1~_|)<
} ; FDC{8e
S.4YC>E
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: K:Go%3~,
*F&&rsb
template < typename T > +Y[+2=lO
struct ref ?pY!sG
{ ==r|]~x
typedef T & reference; NX", e=
} ; !\uk b
template < typename T > @S:/6__
struct ref < T &> zQ_[wM-
{ $q+`GXc-
typedef T & reference; ^*W<$A_
} ; U.0/r!po
v%Q7 \X(
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: }}Uv0g8D
><7`$ 2Or
template < typename T > zSXC
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const ~jTnjx
{ Qeog$g.HI
return l(t) = r(t); *G=AhH$t
} c'qM$KN9G
可能大家已经注意到我定义assignment的operator()的返回类型的时候,是直接将其定义为Left的operator()返回类型的引用形式,如果实际上处理的对象的operator=并不是按照常理来声明的,那么这段代码可能就编译不过。这的确是一个很麻烦的事情。实际上,在gcc下,使用typeof关键字可以很容易的得到该类型的operator=的返回类型,就可以让这段代码变得更有通用性。然而为了实现可移植性,我不得不放弃这个诱人的想法。 mf'1.{
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 Jjq%cA
I]$d,N!.
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 jYZWf `X~
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: .AW*7Pp`f
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 9Q1GV>j>B
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 YTit=4|
最后的布局是: WcG&W>
Add Zi)8KO[/0
/ \ 8PS:yBkA|
Divide 5 {`zF{AW8q
/ \ PSE|4{'
_1 3 21 j+c{O
似乎一切都解决了?不。 ]~ M
-KT
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。 ::` wx@
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。 8[ OiG9b
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: Y'h'8
\
NR@Tj]`k
template < typename Right > %C:XzK-x
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const {r8CzJ'f
Right & rt) const !Esiq<Yh
{ h`j gF
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); o7seGw<$X
} 6iWuBsal
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 uSjMqfK
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 uNg.y$>CX
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。 !W7ekPnK
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。
U8!njLC
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。 Hd`RR3J
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?
n9Yk;D2
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: .zt]R@@6
K_}acU
template < class Action > LsV"h<
class picker : public Action |_*1/Wz@
{ uBgHtjmae
public : ;8Cqy80K
picker( const Action & act) : Action(act) {} w>s
// all the operator overloaded IWgC6)n@n
} ; ^S|^1
tPHiz%
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。 4+ gA/<
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: Wg1WY}zG
Y<XDR:]A,
template < typename Right > |93%,
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const wP9C\W;
{ '=@x2`U/
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); NU[{oI<a
} BoqW;SG$9
r%9Sx:F
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > !
N p
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 oH0\6:S
)%7A. UO)
template < typename T > struct picker_maker enj2xye%Y
{ %9.KH
typedef picker < constant_t < T > > result; AF-.Nwp
} ; RYNzTA
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > H>]x<#uz)
{ =$Z'F<|d
typedef picker < T > result; OUPpz_y
} ; ?6bE!36
<k!G%R<9
下面总的结构就有了: _p.{|7
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。 4E)[<%
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。 $;1~JOZh
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 9[*kpMC
至此链式操作完美实现。 y=Hl ~ev`9
($TxVFNT
z6qC6Ck|
七. 问题3 &.,OvVAo
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。 /MC\!,K
tWFJx}H
template < typename T1, typename T2 > "$&F]0
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const "<WSEs
{ 2h!3[{M\
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); ?H`LrL/k
} V1G]LM
N\?iU8w=
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: Y>+D\|%Q
c#DTL/8"DO
template < typename T1, typename T2 > ln.~ >FO
struct result_2 Mx
}(w\\T
{ :Us-^zVr
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Ow
I?(ruL'
} ; 9[!
Hz)|X
rd RX
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? /%7eo?@,
这个差事就留给了holder自己。 m[pzu2R
WJ*DWyd''
`uj`ixcR
template < int Order > S]>_o "|HV
class holder; ^=ikxZyO
template <> d<Di;5
class holder < 1 > w <ID<
{ Ou%>Dd5|?
public : lV?SvXe
template < typename T > lFcCWy
struct result_1 KlPH.R3MPO
{ jc<3\ 7
typedef T & result; weOMYJO;8
} ; OW>U5 \q
template < typename T1, typename T2 > TwN8|ibVmP
struct result_2 #E1*1E
{ I2dt#
typedef T1 & result;
,Y!)V
} ; 'K1w.hC<
template < typename T > =aCv
Xa&,
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const aE"t['
{ Wac8x%J
return (T & )r; -=RXhE_{
} 2g$Wv :E3
template < typename T1, typename T2 > K6X1a7
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const j405G4BVW
{ vcmS]$}
return (T1 & )r1; G\ofg
} dw-r}Qioe
} ; F8/@/B
`y\:3bQ4
template <> 4u&doSXR
class holder < 2 > 4aRYz\yT=
{ BhKxI
public : zehF/HBzE
template < typename T > m^7pbJ\|
struct result_1 7 mN?;X33
{ )mEF_ &
typedef T & result; uzo}?X#
} ; $lqV(s
template < typename T1, typename T2 > QUNsS9
struct result_2 Nl+2m4
{ 1/m/Iw@
typedef T2 & result; 86_Zh5:
} ; rT#QA=YB
template < typename T > |] YT6-?.
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const (xTHin$
{ $Z j.
return (T & )r; EPI*~=Z.U
} MS b{ve_
template < typename T1, typename T2 > =Yfs=+O
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const R[V%59#{Z
{ x.q%O1
return (T2 & )r2; W%P&o}'
} ^Ni)gm{?k
} ; +$-a:zx`l
*+IUGR
7 XY C.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> >。 YJ9_cA'A
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: 5E@V@kw
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 0jXIx2y
Q6BWax|
return l(i, j) = r(i, j); -K0tK~%q
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) ?`vb\K<5H;
wFvilF
V
return ( int & )i; yH`xk%q_
return ( int & )j; SXT/9FteZ
最后执行i = j; SlZu-4J.-
可见,参数被正确的选择了。 =$'Zmb
[D
+)|2$$m
{p-%\nOC
KpE#Ye&
YPM>FDxDB
八. 中期总结 TKE)NIa
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: 2/~v
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 i ]_fh C
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 a'\`Mi@rb
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor (3-G<