一. 什么是Lambda xw1@&QwM
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 JI&ik_k3
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, s>d /9 b
MqA%hlq
(t^&L
NhP&sQO
class filler %+>t @F,GM
{ t,CC~
public : zxo0:dyw7
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} 4KO2oIR
} ; hSBR9g
]t4 9Efw
m\h. sg&
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: [1Os.G2
|Wo_5|E
IUK!b2!`
6Vq]AQx
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); Y(:.f-Du
Kz v*`
qa|"kRCO
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 x37pj)i/
'Dh+v3O
d{~5tv- H
rSGt`#E-s.
二. 战前分析 Dg:2*m_!j{
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。 )JYt zc
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 pONBF3H8
dcK7Dd->
vZ<@m2
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); e3|@H'~k
/* --------------------------------------------- */ g{]C@,W
vector < int *> vp( 10 ); jjs1Vj1@<
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); j|WuOZm\0
/* --------------------------------------------- */ l7g<
$3
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); %Pz'D6
/
/* --------------------------------------------- */ d|nJp-%V
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 );
]+ \]2`?
/* --------------------------------------------- */ vCPiT2G
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); %Q)3*L
/* --------------------------------------------- */ Z$8X1(o
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); f/_RtOSw
[CCj5N1/
0Q2P"1>KT/
d#?.G3YmK
看了之后,我们可以思考一些问题: 6?"k&O
1._1, _2是什么? %J_`-\)"{~
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。 4bT21J37
2._1 = 1是在做什么? pi'w40!:
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。 > @Ux8#
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。 OZHQnvZ
3Pb]Of#
q.
%[!O
三. 动工 e``X6=rcG
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: qre.^6x
QasUgZ
Z+zx*(X
q~3dbj
template < typename T > GsYi/Z
class assignment XT n`$}nz
{ r9x.c7=O
T value; kJ;fA|(I
public : i[gq8%
assignment( const T & v) : value(v) {} {V> >a
template < typename T2 > }d,iA FG
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } mOLP77(o
} ; }RGp)OFY&
CC(At.dd
-SZW[T<N"
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 F2;k 6M@
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment E1atXx
XQ+KI:g2
DI P(
MjO.s+I
class holder 1LgzqRq
{ ]F,mj-?4x
public : m=Z1DJG
template < typename T > R7/"ye:7J
assignment < T > operator = ( const T & t) const XO*|P\#^
{ CM ; r\,o
return assignment < T > (t); A4}6hG#
} 63ig!-9F
} ; '.n0[2>
H_RVGAbU
DE GEr-
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: D ^ mfWJS
HG(J+ocn
static holder _1; ail%#E8
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ])dq4\Bw
~ccwu
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); &zl=}xeA
而不用手动写一个函数对象。 L-7?:
k79"xyXX
'\I.P
[m>kOv6>^
四. 问题分析 xWY%-CWY.
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 K{]!hm,[3
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 D^(Nijl9U
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 Mlr\#BO"9
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 5ua`5Hb;
下面我们可以对这几个问题进行分析。 nf,R+oX
M.|@|If4?
五. 问题1:一致性 +tbG^w%
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 58x=CN\QU
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。
.;ptgX
hn:
struct holder =Q#}
,T
{ Ks|qJ3;
// Z=VAjJ;i[
template < typename T > inO)Y]|f
T & operator ()( const T & r) const tI2V)i!
{ -+^E5
return (T & )r; 3lw
KV
} {Kn:>l$*7
} ; Wn61;kV_)
g_<^kg"
这样的话assignment也必须相应改动: (9!$p|d*
8y9oj9
;E]
template < typename Left, typename Right > c&!EsMsU
class assignment H7&>c M
{ )f#raXa5+
Left l; +n]z'pijb
Right r; [1pWg^
public : 13+f ^
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} JQ-O=8]
template < typename T2 > $)UMRG
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 60
D0z
} ; *G'R+_tdE
T8nOb9Nrj
同时,holder的operator=也需要改动: dMo456L
58S >B'
template < typename T > "])yV
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const @xKfqKoqg
{ 8GGC)2
return assignment < holder, T > ( * this , t); pDw^~5P
} eouxNw}F1
PWavq?SR
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 w;e42.\
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 =f{)!uW<4
`$kKTc:f
return l(rhs) = r; aPR0DZ@
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。 `>kHJI4
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: ymNL`GYN[
#CRAQ#:45(
template < typename Tp > &:]ej6V'[
class constant_t G<dWh.|`=
{ "Uk "
const Tp t; 71g\fGG\
public : *hm;C+<~
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} kNqIPvuMr
template < typename T > ceKR?%8 s
const Tp & operator ()( const T & r) const
Sj,>O:p
{ ,McwPHEMB
return t; .}xF2'~E/
} 3#d?
} ; y2_^lW%
|._9;T-Yde
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 G1:*F8q
下面就可以修改holder的operator=了 ">-mZ'$#L
~7kIe+V
template < typename T > ('9LUFw\
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const |I0O|Zdv
{ t;>"V.F<1
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); @)R6!"p
} NWNPq"
QqF&lMH
同时也要修改assignment的operator() E~b Yk6
YtQsSU
template < typename T2 > #3+-vyZm
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } ^GS,4[)H
现在代码看起来就很一致了。 W-72&\7
4ONou&T
六. 问题2:链式操作 N9|v%-_?)
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ! u4'1jd[d
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 W5&;PkhQ6
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 CO)BF%?B
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 Msk^H7
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct NHL -ll-R
QcXqMx
template < typename T > KX|7mr90K
struct result_1 & rsNB:!
{ G"xa"hGF
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; O<H5W|cM
} ; Em(&cra
0\Q/$#3
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: ;:^^Qfp
xUKn
template < typename T > #RyX}t X,
struct ref 1TuN
{ @$e!|.{1q
typedef T & reference; u4W2{
} ; byyzXRO;
template < typename T > F5Xj}`}bq
struct ref < T &> ZQ0R3=52r
{ &idPO{G
typedef T & reference; |3h-F5V)
} ; `<3/k
R
_c!
,y
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: Hxw 7Q?F
H J8rb
template < typename T > FA+'E
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const AW XBk+
{ h VQj$TA
return l(t) = r(t); Q&X#(3&'
} 1&wI*4
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。 5Y#W$Fx($R
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 v&8%t 7|
;mi+[`E
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 [q%Rx!L
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: mfI>1W(
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Lwzk<+>w^
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 +@j@# ~=K
最后的布局是: Pf 4b/w/
Add $N[R99*x8
/ \ L
PDx3MS
Divide 5 Q)$RE{*-
/ \ "s6\l~+9l
_1 3 X<j(AAHE
似乎一切都解决了?不。 XEB1%. p
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。 E76#xsyhF
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。 6^'BhHP
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: soTmKqj E
DC5^k[m
template < typename Right > $&C~Qti|G
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const mHY R?
Right & rt) const !97k
{ 9S y |:J0
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); [|&V$
} k v>rv37u
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 CBVL/pxy
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。 ;4!,19AT
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。 A0@E^bG
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。 =u.jZ*u]WT
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。 T|L_+(M{
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? /4!.G#DLQ
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: mbS`+)1=l
FD+y?UF
template < class Action > 7@6B\':
class picker : public Action 'T7=.Hq<4
{ /ta5d;@
public : V?0Yzg$sy
picker( const Action & act) : Action(act) {} xX5EhVR
// all the operator overloaded
RM(MCle}
} ; dYn<L/#
I8s%wY9
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。 ~:ldGfb|
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: vK10p)ZV
YWXY4*G
template < typename Right > m,"N4a@
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Ul`~d
!3zH
{ #j?SdQ
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); I/HcIBJ
} Uh tk`2O
H/I1 n\
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > \{RMj"w:
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。 Ny6 daf3f
6bacU#0o
template < typename T > struct picker_maker $}TK,/W
{ A$a>=U|Z8
typedef picker < constant_t < T > > result; O7x'q<PFU
} ; *Bj7\8cKC
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > GcpAj9
{ ]5_6m;g
typedef picker < T > result; "+@>!U
} ; K@0/iWm*
pT;{05
下面总的结构就有了: $X;wj5oj
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 1vG]-T3VC
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 1;Q>B>6
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 n1mqe*Mvs/
至此链式操作完美实现。 :9=J=G*
[/Figr]
f]*_]J/
七. 问题3 pVGH)6P>|
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 bTrQ(qp
- 2`D(xC
template < typename T1, typename T2 > r{Stsha(
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const }p <p(
{ i,h)
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); >@T(^=Q
} TfFuHzZZ
+=qazE<:0
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: \B$Q%\- PX
eT4+O5t
template < typename T1, typename T2 > *a2y
struct result_2 bktw?{h
{ dl%KD8
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; kV mJG#
} ; F9Bj$`#)
J6s55
v
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? 2S{IZ]
这个差事就留给了holder自己。 `B4Px|3
4=T>Iy
'B$bGQ
template < int Order >
+T R#
class holder; ~Xf&<&5d T
template <> /JOEnQ5X\!
class holder < 1 > ZYBK'&J4m
{ 7T)J{:+0!|
public : N;.cZp2
template < typename T > wU|Y`wJmF
struct result_1 BwN>;g_
{ F%v?,`_&I
typedef T & result; nKoc%TNqe
} ; NVF gRJ&
template < typename T1, typename T2 > o#IQz_
struct result_2 05+uBwH
{ 4/rdr80
typedef T1 & result; wkp|V{k
} ; tVf 1]3(_>
template < typename T > TAbC-T.EV
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const %mda=%Yn
{ `B^HW8
return (T & )r; /y\KLa
} &f\ng{
template < typename T1, typename T2 > #Moju
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const X5@rPGc
{ S"Q$ Ol"
return (T1 & )r1; T]5JsrT
} ^c9~~m16+
} ; z]NN ^pIa
n{~Ws^d
template <> 8^H <dR
class holder < 2 > }b#KV?xgW
{ =;1MpD
public : 8: KlU(J
template < typename T > 27;t,Oq}
struct result_1 GlDl0P,*r
{ $=j}JX}z
typedef T & result; 0!n6tz lT
} ; o
<lS90J
template < typename T1, typename T2 > V9 pKbX
struct result_2 F:8cd^d~u
{ )ow|n^D($M
typedef T2 & result; (aX5VB **
} ; Ny;(1N|&3
template < typename T > cTKj1)!z?X
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const eeuTf
{ %2<G3]6^U
return (T & )r; s!q6OVJ-
} g`jO
template < typename T1, typename T2 > [T;0vv8
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const /{.
{
Tsez&R$k
return (T2 & )r2; @l0#C5(:
} _u^ S[
} ; Cwxy~.mI
a
X >bC-
Ly?gpOqu5
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 _|x b)_
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: ;}b.gpG
首先 assignment::operator(int, int)被调用: s@sr.'yU
i6)$pARp
return l(i, j) = r(i, j); 8_MR7'C1hi
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) +'$=\d^
9x/HQ(1
return ( int & )i; =dD<[Iz6
return ( int & )j; , ;L
最后执行i = j; MP\$_;&xB
可见,参数被正确的选择了。 -b"7WBl
8BC F.y
{O,D9 <
xmxfXW
0 !yvcviw
八. 中期总结 UXVjRY`M.\
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: HDUtLUd
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 5
T1M:~u i
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 TJ3CXyRq
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor {dV#"+
RwMK%^b
[6Y6{.%~
h4x*C=?A
,.tv#j|A
B#'TF?HUEn
九. 简化 2Q`@lTUv
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 h%
BA,C
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 R9Wh/@J]
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: Ml)~%ZbF
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 _IJPZ'Hr
+-*/&|^等 S~fQ8t70
2. 返回引用。 @BWroNg{
=,各种复合赋值等 _ETG.SYq
3. 返回固定类型。 EotZ$O=
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 3+_? /}<
4. 原样返回。 _y&m4V