一. 什么是Lambda S :%SarhBD
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 H=1Jq
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, XPd@>2
2oFbS%OV
{ 2\.
/M@6r<2`i
class filler MB:*WA&
{ b@?pofZ`k
public : KDEcR
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} HI%#S&d
} ; ^Z`?mNq9
%K7wScz7
o'auCa,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: '3eL^Aq
-ttH{SslM
Y}UVC|Ef
#V#sg}IhM?
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); NpN-''B\
[Z$E^QAP
pxgVYr.
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 /@`kM'1:
QxS=W2iN
?@LqrKj11
w4%yCp[,
二. 战前分析 1SO!a R#g
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 |z%:{
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 @kmOz(
3rh@|fg)E
>J,y1jzJ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); s%xhT
/* --------------------------------------------- */ )ZqY`by!
vector < int *> vp( 10 ); N`1W"Rx!
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); V_p[mSKJv
/* --------------------------------------------- */ | g[iK1
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); '#Pg:v_
/* --------------------------------------------- */ 'j27.Ry.
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); k 3S
/* --------------------------------------------- */ _&xi})E^O]
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 6X`i*T$.
/* --------------------------------------------- */ ).D+/D/"2
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); Rt=zqfJ
C0v1x=(xiM
zC<k4[ .
&U7INUL
看了之后,我们可以思考一些问题: BfOQ/k))
1._1, _2是什么? k?7V#QW(
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。 M`u&-6
2._1 = 1是在做什么? ;2\+O"}4H
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。 @eOD+h'
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。 :+*q,lX8
{>rGe#Vu
{Z!x]}{M
三. 动工 @B#\3WNt
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: yMVlTO
"`q:
|X6/Y@N
_'Rzu'$`
template < typename T > ckhU@C|=*
class assignment g*]/HS>e<G
{ 8urX]#
T value; }fT5(+ Wo
public : aTL u7C\-e
assignment( const T & v) : value(v) {} R;l;;dC=
template < typename T2 > vnr{Ekg
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 1~aP)q
} ; :XFr"aSt
%pG^8Q()
2>+(OL4l
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 }"x#uG
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment e !2SO*O
Q/zlU@
/'_Yct=
J9y}rGO
class holder CP$,fj
{ /Bk`3~]E>
public : 6@FxPi9|#
template < typename T > vkM_a}%<
assignment < T > operator = ( const T & t) const $YJi]:3&
{
-*-"kzgd
return assignment < T > (t); u09D`QPP]
} :6m"}8*q8
} ; i3Xo6!Q
o$7UWKW8
2Qc_TgWF
由于该类是一个空类,因此我们可以在其后放心大胆的写上: <A`SC;k\u
U9Q[K `
static holder _1; 9\kEyb$F=
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 C{G%"q
e ]2GAJLI
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); y`/:E<fVk
而不用手动写一个函数对象。 Eq8:[o
XB:E<I'q!3
N
f}ZG
T$;BZ=_
四. 问题分析 mQ<Vwx0
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 OF; "%IW~}
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 gh `_{l
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 .hoVy*I
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 lACS^(
下面我们可以对这几个问题进行分析。 U><$p{)
)2u_[Jc=
五. 问题1:一致性 >{Xyl):
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?| 0[8uuqV[cB
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 >rYMOC~
i.FdZN{
struct holder !QME!c>*$
{ z$(`{
o%a
// 6J cXhlB`
template < typename T > 3b`#)y^y?%
T & operator ()( const T & r) const b/E3Kse?
{ bcAk$tA2
return (T & )r; SxkY ;^-U
} zIr-Rx'dL^
} ; 6.|[;>Km
Oz"_KMz
这样的话assignment也必须相应改动: 20:![/7:!
bJynUZ
template < typename Left, typename Right > {T0Au{88H
class assignment e Dpt1
{ S&Hgr_/}c
Left l; 1DH P5q
Right r; H}8kku>7
public : ajf(Ii\/
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} [LV>z
template < typename T2 > X2YBZA
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } \GK]6VW
} ; /8 "rCh|m-
/#?!9c
同时,holder的operator=也需要改动: B& 5Md.h
meGLT/
template < typename T > aeEio;G1
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const @z=L\e{
{ EbJc%%c
return assignment < holder, T > ( * this , t); s+h}O}RV
} `1lGAKv
>^ E*7Bfp
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。 R ^INl@(O
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 RQ 8;_)%
K :>O X
return l(rhs) = r; EQ>@K-R
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。 BP1<:T'.q`
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: HzsQ`M4cA
w=5<mw
template < typename Tp > N_l_^yD
class constant_t hzA+,
{ Q9&H/]"v
const Tp t; gN]\#s@[
public : _
Ewkb
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} VuD{t%Jb
template < typename T > StiWa<"c
const Tp & operator ()( const T & r) const -Q|]C{r
{ cNye@}$lu
return t; yl0;Jx?
} dq0!.gBT2
} ; #K!"/,d@>J
7j88^59
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 T9Fe!yVA
下面就可以修改holder的operator=了 B`)bo}h
dk 0} q6~
template < typename T > 1Vs>G
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const 8d&%H,
{ U.Y7]#P:
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); 2WE01D9O
} &q#.
>
L-%'jR
同时也要修改assignment的operator() OP\L
8Y:x+v5
template < typename T2 > ARG8\qU
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } #5iy^?N"w
现在代码看起来就很一致了。 oVW>PEgB-
4[)tO-v:Y
六. 问题2:链式操作 $)d34JM
现在让我们来看看如何处理链式操作。 \u;`Lf
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。 KN>h*eze
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。 p6ryUJc6
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。 RiFUa
$
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct :>F3es`
v:n[H]K|
template < typename T > '%YE#1*gH
struct result_1 *,~L_)vWO
{
;v/un
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; k=&n>P
} ; dnh~An 9
^]Z@H/]H
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: l=t$XWh!
i}e OWi
template < typename T > ]kyGm2Ty9
struct ref 8 gzf$Oc
{ g%f6D%d)A
typedef T & reference; c{K[bppJ*
} ; G8!* &vR/
template < typename T > 0N>R!
struct ref < T &> ir3EA'_>N
{ -85W/%
typedef T & reference; :/'oh]T|
} ; iwT
PJGK|
"~/O>.p
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: :B]yreg
&>%9JXU
template < typename T > H)O I&?
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const YhNO{4D
{ O;?Nz:/q
return l(t) = r(t); %.VFj7J
} ?mJ&zf|B8
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。 O4A{GO^q
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 C{8(ew
^26}j uQ
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 MF/@Efjn
]
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: B`<K]ut
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 &+zS4)UK
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 eJwHeG
最后的布局是: 79O'S du@
Add tKKQli4Mn4
/ \ Tg~SGAc
Divide 5 mJ L=H
/ \ wmnh7'|0u
_1 3 @j|=M7B
似乎一切都解决了?不。 q,v)X
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。 8Xjp5
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。 (N
:vDq'
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: 3r-oZ8/n
)7s(]~z
template < typename Right > @X g5E
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const 5VR=D\j
Right & rt) const g,]GzHV1
{ .bvEE
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); FEwPLViso
} ni`uO<\U
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 @[. 0,
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。 e'0BP,\f_}
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。 S@Q4fmH
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。 7/b\NLeJ'
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。 GW;O35
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? urK~]68
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: Q.Xs%{B
r:-,qy
template < class Action > ,A9_xdv5
class picker : public Action *9O@DF&*6
{ -fCR^`UOS
public : zW9/[Db
picker( const Action & act) : Action(act) {} VtnVl`/]
// all the operator overloaded S}/5W
} ; ;nbV-<e
5VZZk%oy
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。 ,y}@I"
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: ~KP@wD~
5u=>~yK+
template < typename Right > IF'Tj`yD
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const {j[a'Gb
{ u1;sH{YK>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 8 @A}.:
} ,4--3 MU
^ DCBL&I
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > pPsT,i?
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。 CWY-}M
N.UeuLz
template < typename T > struct picker_maker !q!5D`
{ <N{Y*,^z
typedef picker < constant_t < T > > result; 2$TwD*[
} ; ,{2= nb[
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > D=@bP B>
{ |'qvq/#^
typedef picker < T > result; sT'j36Nc<,
} ; bJoP@s
crQ_@@X?<
下面总的结构就有了: =A{s,UP
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 %E2V$l0
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。 i5cK5MaD
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 3/V0w|ZgD
至此链式操作完美实现。 unc8WXW
T~8kKw
nxMZd=Y
七. 问题3 |eI!wgQx
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。 bF'Jm*f
-% \LW1
template < typename T1, typename T2 > ?7uK:'8
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const 9#E)H?`g
{ ),J6:O&
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); <w3_EO
} |j=Pj)5J
2Mu@P8O&
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: 8aIqc
MBU|<tc
template < typename T1, typename T2 > 8|<</v8i
struct result_2 ?Z_T3/ f
{ "(vK.-T
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; 09trFj$L
} ; +/l@ou'
Shn=Q
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? vd(S&&]o1
这个差事就留给了holder自己。 [7d(PEQL`
]z5hTY
JqZt1um
template < int Order > 'S9o!hb'@
class holder; ~[dL:=?c
template <> &P>& T
class holder < 1 > `GW&*[.7
{ xr]bH.>
public : LTo5v
template < typename T > `e~i<Pi
struct result_1 jex\5
{ rab$[?]
typedef T & result; (H&HSs
} ; F6111Q </
template < typename T1, typename T2 > /3Gq&[R{
struct result_2 J]XLWAM
{ ?bt;i>O\
typedef T1 & result; H#D:'B j29
} ; nW"O+s3
template < typename T > 1 :$#a
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 0kj5r*qA
{
{U$XHG
return (T & )r; /;d 5p
} JVkuSIR>
template < typename T1, typename T2 > +6$+]u]
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const .?5
~zK
{ mRRZ/m?A(
return (T1 & )r1; Zi+F IQ(
} vA!IcDP"
} ; Yj>4*C9
>6jal?4u-
template <> "_\"S
class holder < 2 > 9
@ <
{ m//aAxmB
public : d/j?.\
template < typename T > )Sb-e(sl
struct result_1 ga/zt-&
{ !;h&@LXG(
typedef T & result; R&;x_4dr^
} ; %L-qAI&V
template < typename T1, typename T2 > 89^g$ ac
struct result_2 +DXP&Q
{ %a
WRXW@c
typedef T2 & result; \V!{z;.fA
} ; ^pd7nr~Y
template < typename T > }DM W,+3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const }Vob)r{R@
{ ukEJ D3i
return (T & )r; d]E={}qo&
} 9v`sSTlSd
template < typename T1, typename T2 > 0C%IdV%CU
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const 95~bM;TVr
{ >I5Wf/$
return (T2 & )r2;
-*KKrte
} og35Vs0
} ; 2"Wq=qy\J
'_4apyq|
EC8Z. Uu
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> >。 M^Z=~512g
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: N8At N\e
首先 assignment::operator(int, int)被调用: 4GF3.?3
u28$V]
return l(i, j) = r(i, j); >Rt:8uurAG
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) 68h1Wjg:"!
y7:f^4
return ( int & )i; "1^tVw|
return ( int & )j; _[z)%`kay
最后执行i = j; UakVmVN/P
可见,参数被正确的选择了。 kP[fhOpn
|3E|VGm~
4[x`\
*,CJ 3<>
/{hT3ncb
八. 中期总结
0n6eWwY
目前的结果是这样的,为了支持一个操作符,我们需要作如下几件事: m-\_L=QzM
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 eL"'-d+]
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 }%?or_f/
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor C^,baCX
lJ= EP.T
mMl len
GqsV6kH
+u=VO#IA#
*&Iv Eu
九. 简化 ^&86VBP
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 YHom9&A
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 OqMdm~4B!j
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: bws}'#-*
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 am3.Dt2\
+-*/&|^等 +U
J~/XV
2. 返回引用。 o:ow"cOEf
=,各种复合赋值等 fA<os+*9i
3. 返回固定类型。 ]?T^tJ
各种逻辑/比较操作符(返回bool) A9@coP5
4. 原样返回。 !9HWx_,|Z
operator, (_FeX22+
5. 返回解引用的类型。 ^
op0"
#B
operator*(单目) rp<~=X
6. 返回地址。 (-0d@eqw
operator&(单目) e<=Nd,v4;
7. 下表访问返回类型。 `a[fC9
operator[] .YvIVQ
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 U_'M9g{,<
operator<<和operator>> }jC^&%|
Z]{=Jy!F
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 `f}ZAX
例如针对第一条,我们实现一个policy类: 32+N?[9
*
}N-UlL(
template < typename Left > :CM-I_6
struct value_return Ay6T*Nu`
{ QE"$Lc)
template < typename T > ,9^ 5
struct result_1 .T8^>z1/\F
{ FEhBhv|m
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; w7~]c,$y.
} ; b?0WA.[{
Ke@Bf
template < typename T1, typename T2 > &/uakkS
struct result_2 +1qvT_
{ 9{nU\am!\
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; anz7ae&P'K
} ; 4`v[p4k
} ; W'k&DKhTqF
H4v%$R;K
n}Thc6f3D
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait *]q`:~u2
4V@0L
下面我们来剥离functor中的operator() L
~Vw`C
首先operator里面的代码全是下面的形式: .6n|hYe
Th,]nVsGs~
return l(t) op r(t) wMF1HT<*
return l(t1, t2) op r(t1, t2) &flcJ`
return op l(t)
ArX*3
return op l(t1, t2) 1: cq\Y
return l(t) op ~:!&