一. 什么是Lambda }o`76rDN
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 vXje^>_6
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, jNk%OrP]
l]8uk^E
VMWf>ZU
pW3^X=6
class filler 6j}9V
L77
{ Y$@?.)tY
public : Lp9E:D->
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} UJ
} ; k{-Cwo
vEJbA
Q*Pq{]0K
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: H/M@t\$Dc
cbTm'}R(G
Pd Wx|y{%
/j.9$H'y
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); >4CbwwMA
_oeS Uzq.
gg2(5FPP
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 `;egv*!P
3^yK!-Wp(
Nj/
x. X
jmZI7?<z
二. 战前分析 utV_W&
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。 TM%%O :3
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 +
{'.7#
x[e<} 8'$(
nqUV
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); Zj'9rXhrM1
/* --------------------------------------------- */
Z *x'+X
vector < int *> vp( 10 ); j0q&&9/Jj
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); CpTjJXb
/* --------------------------------------------- */ 3u0RKLc\
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); r9?Mw06Wc5
/* --------------------------------------------- */ EfT=?
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); h/Y'<:
/* --------------------------------------------- */ LrpM\}t
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); scV5P Uq
/* --------------------------------------------- */ 1?l1:}^L
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); U]rRQ
d/:;
do'GlU oMC
)vlhN2iv
rYk0
ak
看了之后,我们可以思考一些问题: wUJcmM;
1._1, _2是什么? r5^eNg k
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 k+*u/neh
2._1 = 1是在做什么? x]j W<A
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 %8v\FS
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 1< ?4\?j
S3J^,*'
n+ M <\
三. 动工 6ik$B
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: '~ 47)fN
.T`%tJ-Em
<1TAw.
<F'\lA9
template < typename T > J<lW<:!3]
class assignment JW&gJASGC
{ gjlx~.0d
T value; <C*hokqqP
public : {{!-Gr
assignment( const T & v) : value(v) {} ~"A0Rs=
template < typename T2 > %(Icz?
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } 'Pbr
v
} ; eyxW 0}[
^<6[.)
/x *3}oI
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 [V`r^
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment /gas2k==^
nJ;.Td
qxc[M8s
F"mmLao
class holder A@u@ift
{ 7xR\kL.,
public : ;9#KeA _
template < typename T > `d(ThP;g
assignment < T > operator = ( const T & t) const fV~[;e;U.
{ RM/ 0A|
return assignment < T > (t); 1Z&(6cDY8M
} XK vi=0B
} ; 2`-Bs
iURe( [@
ee=D1 qNu;
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: ugBCBr
7|H$ /]
static holder _1; 9tnD=A<PS
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 ;F Eqe49
H,NF;QPPC
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); rZpXPI
而不用手动写一个函数对象。 A=>u
1h69
"Y.y:Vv;
to&m4+5?6
H"F29Pu2
四. 问题分析 &e3.:[~_?
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。 7[wPn`v2
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。 *K;~!P
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 D43z9z-:L
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 d"Y{UE
下面我们可以对这几个问题进行分析。 yh=N@Z*zP
*z2s$EZ
五. 问题1:一致性 i@'dH3-kO
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| D&zle~" J
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 ;n},"&
A %-6`>
struct holder M3Kfd
{ IRbfNq^:
// XX~,>Q}H=
template < typename T > ,u!sjx
T & operator ()( const T & r) const %XTI-B/K
{ ~)'k 9?0
return (T & )r; DTs;{c
} 1:wQ.T
} ; l;V173W=&
.e5Mnd%$M
这样的话assignment也必须相应改动: xezcAwW
et+0FF
,
template < typename Left, typename Right > wNX]7wMX
class assignment |K~Nw&rZ]
{ mVmGg,
Left l; 8>%hz$no=
Right r; 'f|o{
public : B1Oq!k
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} *|l/6!WM
template < typename T2 > U;I9 bK8
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } 9ll~~zF99|
} ; H:\k}*w
~_ a-E
同时,holder的operator=也需要改动: GJUL$9
'W#D(l9nI
template < typename T > 3N:D6w-R
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 59-c<I/}f
{ \di=
return assignment < holder, T > ( * this , t); cGD(.=
} |D.ND%K&
-%dCw6aX+
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 kNL\m[W8$
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 |)G<,FJQE_
%07SFu#
return l(rhs) = r; KG5>]_GH
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。 \|ao`MMaD<
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: hpJ-r
&"q=5e2
template < typename Tp > 1i] ^{;]
class constant_t Y4(
{ {zFMmPid
const Tp t; 2Hv+W-6v
public : (4EI-e*6
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} 3D(0=$W
template < typename T > f
V( J|
const Tp & operator ()( const T & r) const [c06 N$:
{ ri.I pRe
return t; rXU\
} 5PnDN\
} ;
YrKWA
$tS}LN_!
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 ]$_NyAoBb
下面就可以修改holder的operator=了 /H==Hm/
PiYxk+N
template < typename T > C>w|a
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const alvrh'51
{ Tu 7QCr5*
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t));
}>X~
} i7>tU=
bY0|N[g
同时也要修改assignment的operator() YUIi;
;d9QAN&0}
template < typename T2 > !GGkdg*-*9
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } #N cK
X
现在代码看起来就很一致了。 Z)aUt
Srf
<A'$%`6m
六. 问题2:链式操作 k)Qtfj}uij
现在让我们来看看如何处理链式操作。 ^ovR7+V
其实问题1已经为我们处理掉了大量的问题。如果_1,functor,常量彼此之间不统一为functor,那么链式操作的时候就要时刻小心一个对象是_1还是functor还是常量,会大大增加编码的难度。 ][h}
事实上,首先要解决的是,如何知道一个functor的operator()的返回值的类型。遗憾的是,我并没有找到非常自动的办法,因此我们得让functor自己来告诉我们返回值的类型。 Z/;aT -N
比较麻烦的是,operator()的返回值一般和其参数的类型相关,而operator()通常是一个模版函数,因此其返回值类型并不能用一个简单的typedef来指定,而必须实现一个trait。 iW /}#
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct b%/ 1$>_
tC9n
k5~
template < typename T > & 9 ?\b7
struct result_1 j^2wb+`
{ >&5DsV.B
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; KMjhZap%
} ; `^Em&6!!
7VF LJrt
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: p"ZG%Ow5Q]
v-_e)m^
template < typename T > ';=O 0)u
struct ref %Q dn
{ .UY^oR=b{
typedef T & reference; ;x@~A^<el
} ; [ ~&/s:Vvo
template < typename T > exUu7&*:
struct ref < T &>
O+Y6N
{ RuVGG)
typedef T & reference; hNmJ!Uo
} ; @7j AL -
K}MK<2vU
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: h|{]B,.Lh
JB[~;nLlC
template < typename T > -0x
#
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const oEKvl3Hz_
{ pohp&Tcm
return l(t) = r(t); ~gZLY ls
} X=fYWj[H,
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。 +Kbjzh3<wG
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 {:$>t~=D
f5VLw`m}.8
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 ]*[ 2$
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: XG{zlOD+
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 &H/'rd0M
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 S8j{V5R'
最后的布局是: iN8zo:&Z
Add lBvR+9Qw
/ \ xH"/1g
Divide 5 "8jf81V*
/ \ 7/@TF/V
_1 3 A1>OY^p3%
似乎一切都解决了?不。 70tH:Z)"
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|`1b
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。 ~^fZx5
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: l$pm_%@2]
G[I"8iS,
template < typename Right > zFff`]^`
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const P'[3Fqe
Right & rt) const EC!02S
{ Mc_YPR:C
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); 9u}Hmb
} lbl?k5
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 a>I+]`g
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。 _
y8Wn}19f
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。 ex (.=X 1
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。 ""F5z,'
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。 f=gW]x7'R+
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? V/
uP%'cd
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: '3DXPR^B6
ca*DZG/
template < class Action > ']z{{UNUN
class picker : public Action xvl#w
{ x'>9d
public : 4`]^@"{
picker( const Action & act) : Action(act) {} ,|H
`e^
// all the operator overloaded }1i`6`y1
} ; VfC <WVYiZ
A:N|\Mv2b
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。 O6a<`]F
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: _w+:Dv~*a
?u=Fj_N_
template < typename Right > j8{i#;s!"
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const rt~d6|6
{ Tc &z:
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); (U_ujPD ?
} oiT[de\S
QIvVcfM^
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > ^"1n4im
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。 ~{B7 k:
ju8q?Nyhs
template < typename T > struct picker_maker MvHm)h
{ j94=hJVKi
typedef picker < constant_t < T > > result; 0c'<3@39k|
} ; KNpl:g3{<Q
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > yyRiP|hJ
{ Ln<`E|[29
typedef picker < T > result; =eXU@B
} ; A) %/[GD2
e~[/i\
下面总的结构就有了: L Mbn
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。 [{<`o5qR
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。 [-k
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 x_6[P2"PP
至此链式操作完美实现。 ?o4C;
2%@4]
pW@Pt 3u
七. 问题3 wb5baY9
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。 tip+q d
OSWYGnZg
template < typename T1, typename T2 > 2U\u4NO{
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const tI TS1
{ wQH<gJE/:
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); z/WE,R
} [.'|_l
<+Dn8
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: 3<Zq ]jk?n
bv9i*]
template < typename T1, typename T2 > gG:Vt}N
struct result_2 EQyC1j
{ LX7FaW
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; '4Ixqb+
} ; 4Lh!8g=/
;R5`"`
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? %C'?@,7C
这个差事就留给了holder自己。 YpZ+n*&+
W5lR0)~#*
H*QIB_
template < int Order > #!qm ZN
class holder; c~$)UND^
template <> Y1OkkcPb{
class holder < 1 > }QcCS2)Ud
{ KL:j?.0
public : X_ cV%#
template < typename T > {M$1N5Eh
struct result_1 3yY}04[9<
{
(GuzN
typedef T & result; nntuLuW
} ; 2*< nu><b
template < typename T1, typename T2 > w%VU/6~
struct result_2 HU}7zK2
{ C:* *;=.
typedef T1 & result; ,p@y]
cr
} ; -p&" y3<p
template < typename T > `* ["UER
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const k\YG^I
{ a|x.C6Pe
return (T & )r; axRV:w;E<
} FQ2
template < typename T1, typename T2 > a
%'the
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const _AYK435>N
{ TJpD{p}
return (T1 & )r1; Xy&A~F
} %~JJ. &
} ; 2c,9e`
vNY{j7l/W
template <> ooL!TSGD
class holder < 2 > bv9]\qC]T<
{ }[};IqVaK
public : ^qvbqfh
template < typename T > N/'b$m5=
S
struct result_1 >~sI8czR*
{ -M~:lK]n
typedef T & result; dulI&_x
} ; GR.^glG?6
template < typename T1, typename T2 > u+e{Mim
struct result_2 Z{Qu<vy_
{ Y3cMC)
typedef T2 & result; >,Ci?[pf
} ; x{8xW0
template < typename T > fZzoAzfv2
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const |&nS|2.'
{ qIE9$7*X
return (T & )r; V/LLaZTE
} [M}{G5U.
template < typename T1, typename T2 > '8.r-`l(
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const qQ/^@3tXL
{ #7$
H
return (T2 & )r2; 4qbBc1,7y
}
4*#18<u5
} ; qI9z;_,gNz
K5VWt)Z#
m6K}|j
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> >。 Bz-c$me1
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: S_4?K)n #
首先 assignment::operator(int, int)被调用: =^f<v_L
FZ<gpIv!NS
return l(i, j) = r(i, j); UiP"Ixg6
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) o.g V4%
f#"J]p
return ( int & )i; {
Fb*&|-n
return ( int & )j; n)e
6>R;
最后执行i = j; vHc%z$-d
可见,参数被正确的选择了。 !r8`Yr n
YQ)kRhFA
c(m<h+2VL
1 ~*7f>
]BZA:dd.G
八. 中期总结 f=Gg9bnm3
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: &|ex`nwc0
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 J26V nK
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 1..+F0U
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor 7\[@m3s
:T$|bc
|?xN\O^#}
t%FwXaO#
G]tn i
SrJGTuXg
九. 简化 beGa#JH,
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。 Rz/gtEP
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 P [ck84F/
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: *?>T,gx}
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 E \EsWb
+-*/&|^等 u8g~
2. 返回引用。 ~2N"#b&J
=,各种复合赋值等 J#(LlCs?@c
3. 返回固定类型。 j#x6
各种逻辑/比较操作符(返回bool) RFc v^Xf
4. 原样返回。 fk>aqm7D!
operator, |O+H[;TB6
5. 返回解引用的类型。 )
7@ `ut
operator*(单目) F4z{LhZ
6. 返回地址。 \fdv]f
operator&(单目) `r':by0M
7. 下表访问返回类型。 eA ?RK.e
operator[] fu ,}1Mq#
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 qkY:3Ozw
operator<<和operator>> :#ik. D
nEy&