一. 什么是Lambda .jum "va%
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 &z0iLa4q)
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, 3YRBI|XO
;@'0T4Z&l
dMgbW<uAu
WH;xq^
class filler h*l4Y!7
{ g _x\T+=
public : XbXgU#%
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} *cy.*@d
} ; .9I_NG
r1hD
%a
eU"mG3__
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: G,/Gq+WX
eu=|t&FKk
q"p#H 8
!pV<n
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); 1G_xP^H!
a}GAB@YI
Vd[2u
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 KPg[-d
7rPLnB]
PoY>5
9 G((wiE
二. 战前分析 g`
kZT} h
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。 gx#J%k,f
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 :X|AW?*
AYYRxhv_,
7ozYq_ $
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); TwwIt5_fN
/* --------------------------------------------- */ 1+FYjh!2t
vector < int *> vp( 10 ); @ p"NJx"
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); w=gQ3j#s
/* --------------------------------------------- */ U!_sh<
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); 7~lB}$L
/* --------------------------------------------- */ NB3/A"}"02
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); `lvh\[3^
/* --------------------------------------------- */ sV&`0N
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); &8juS,b
/* --------------------------------------------- */ uq]iMz>
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 4=UI3 2v3
w8U2y/:>
<xC:Ant
Fv;u1Atiw
看了之后,我们可以思考一些问题: F1/6&u9I
1._1, _2是什么? 4g S[D
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。 7!mJhgGc
2._1 = 1是在做什么? 9c:5t'Qt5.
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。 Age-AJ
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。 - =yTAx
wiKCr/
.M}06,-
三. 动工 ]zX\8eHp!
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: M'b:B*>6
^CO#QnB @
kaV%0Of]
}t}38%1i
template < typename T > M2a}x+5'
class assignment -Zttj /K
{ G|<] Ma9x
T value; |F3vRt@
public : EmYO5Whi
assignment( const T & v) : value(v) {} _dz+2au
template < typename T2 > [p2g_bI8yK
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Q1K"%
} ; B<rPvM7a
rrW! X q
`9]P/J^
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 'et(:}i
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment q`h7H][(A
ryz/rf
]cS&8{ ^2
cvn-*Sj
class holder =H
L9Z
{ iM4mkCdOO
public : 7^`RP e^a+
template < typename T > nm<L&11
assignment < T > operator = ( const T & t) const Y#GT*V
{ (Be$$W
return assignment < T > (t); R
%Rv
} N=hSqw[
} ; 3`mC"ab /
3AX?B~s
N+ak[axN
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: $z~jnc
M|$H+e }:
static holder _1; ~:R4))qpg
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 mxtlr)
Rc;1Sm9\
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); ]v/t8`
而不用手动写一个函数对象。 B/kcb(5v
&3!i@2d;3f
"4J?JR
wOD/Z8
四. 问题分析 oiIt3<BX
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。 -i| /JH
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。 g-4gI\
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 4;B=Qoxe
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 /5Gnb.zN)
下面我们可以对这几个问题进行分析。 1uK)1%vK
H57jBD
五. 问题1:一致性 l6r%nHP@
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?| _:oMyK'
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 cL-6M^!a
.N?|t$J
struct holder E&}H\zt#
{ L5hQdT/b$
// W66}\&5
template < typename T > 9aW8wYL~b
T & operator ()( const T & r) const R4hav
{ BA`kxL/x
return (T & )r; * fOS"-CL
} }W^V^i )
} ; _N[^Hl`\
PX+"" #
这样的话assignment也必须相应改动: #JX|S'\x
;,[EJR^CI
template < typename Left, typename Right > 1q;I7_{ 2
class assignment 853]CK<
{ +_vm\]4
Left l; pO-)x:Wg
Right r; ~:'gvR;x
public : J
tn&o"C
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} o(S^1j5
template < typename T2 > B8P@D"u
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Dg ?Ho2ih
} ; ?j},O=JFn
{EiG23!qV
同时,holder的operator=也需要改动: }WBm%f
T%z!+/=&^
template < typename T > *X"F: 7
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const 2n"*)3Qj
{ X.r!q1_c
return assignment < holder, T > ( * this , t); Qe'PAN=B
} 5d!z<{`
fb;hf:B:
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。 AZBY, :>D
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 ?CL z@u~
VH$\ a~|
return l(rhs) = r; )^QG-IM
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。 F~11 _
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: TLR Lng
ul]m>W
template < typename Tp > $)WH^Ir~
class constant_t 'PxL^
{ }K qw\]`
const Tp t; A=@V LU4%
public : }VJ hw*s
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} Ezo" f
template < typename T > 3 8ls 4v3
const Tp & operator ()( const T & r) const )aO!cQ{s
{ \dQ2[Ek
return t; [{Klv&>_/
} b W`)CWd
} ; `s|\"@2
k-t,y|N
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 f(zuRM^5
下面就可以修改holder的operator=了 >ZOZv
iIC9rso"Q1
template < typename T > U iPVZ@?
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const f/|a?n2\hm
{ }T^v7 LY
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); h;mQ%9 Yd
} rkER`
ek_i{'hFd
同时也要修改assignment的operator() d,E/9y\e
kB!M[[t
template < typename T2 > aNh1e^j
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } <jg
wdbT"6
现在代码看起来就很一致了。 jAK`96+D~b
+&@l{x(,
六. 问题2:链式操作 RM/ s:
现在让我们来看看如何处理链式操作。 9EY_R&Yq%
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。 >LRaIU>
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。 `;8u9Ff
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。 !{|yAt9kP
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct x,@O:e
o2t@-dNi
template < typename T > 4$#ia
F
struct result_1 9Y*Vz QE
{ kA->xjk
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; =V4_DJ(&
} ; vzT6G/
'@1Qx~*]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: 9/^Bj
I "+|cFq.
template < typename T > m'vOFP)'
struct ref >G -?e!
{ MYW 4@#
typedef T & reference; OYCFx2{
} ; ,4?|}xg
template < typename T > hJL0M!
struct ref < T &> u8)r
W
{ ;z=C^'
typedef T & reference; :8/M6-EK
} ; 6!Ap;O^*
d+wNGN
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: R;I-IZS:
$DMu~wwfG
template < typename T > l2_E6U"
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const 5&7?0h+I
{ RM=+ZmA
return l(t) = r(t); xsypIbN
} )SZ,J-H08w
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。 "}Sid+)<
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 f0s<Y
^IegR>
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 [!|d[
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: !t
[%'!v
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 BsG[#4KM:
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 KARQKFp!C>
最后的布局是: LZ<(:S
Add ur_"m+
/ \ /Gu2@m[r
Divide 5 )6S}O*
1
/ \ N4JL.(m){I
_1 3 (VF4]
似乎一切都解决了?不。 jjlCi<9CQ^
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。 ;`Ch2b1+
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。 $/sZYsN~T
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: Q\th8/ /
'm.XmVZL%
template < typename Right > t7`Pw33#kY
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const a!]QD`
Right & rt) const '/)_{Ly
{ +,w|&y
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Hr.JZ>~<
} o+WrIAR
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 .A f)y_
XXX指的是原来的functor的类型,picker_maker<T>是一个类型变换的trait,如果T是一个常量,那么他会返回constant_t<T>,否则返回T本身。 YSUH*i/%
因此如果该函数声明在assignment的内部,那么就实现了连等,如果声明在的dereference(解引用)的内部,就允许(*A = B)的行为发生。 pzp"NKxi
最后,如何把这些函数塞到各个functor的声明里边呢?当然可以用宏,但是。。。大家都知道这样不好。 J##X5'a3*
除了宏之外还可以用的方式就是继承。我们可以写一个类叫做picker,该类实现了所有的如上的产生函数。然后让所有的functor继承自它。 'S-"*:$,u
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? %b'VEd7
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: wUPywV1UO
rnrx%Q
template < class Action > `e69kBAm
class picker : public Action MrjB[3Td
{ %^BOYvPx
public : i:
uA&9
picker( const Action & act) : Action(act) {} [==Z1Q;=
// all the operator overloaded u+T, n
} ;
SCC/
<o
$ }bC$?^
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 _|#|mb4Fe
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: \.-y
LS.
FbT&w4Um=
template < typename Right > n\NDi22
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const xa axj
{ 5nw9zW
:'
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); [ESQD5&
} .j@n6RyN
@ dU3d\!}
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 4'e8VI0
使用picker还带来一个额外的好处。之前提到picker_maker要区分functor和常量,有了picker,区分的方法就非常简单了:凡是属于picker<T>的都是functor,否则就是常量。 'F<e )D?
@g5]w&o_
template < typename T > struct picker_maker ju6_L<
{ m9i%U
typedef picker < constant_t < T > > result; cB'4{R@e
} ; F476"WF
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > by3kfY]4s
{ x \{jWR%
typedef picker < T > result; PH=8'GN
} ; #j5^/*XW
KFrmH
下面总的结构就有了: AxQ/
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 yodrX&"
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 OnJSu
z>-
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 P+l^Ep8P
至此链式操作完美实现。 +:8YMM#9V
O&RHCR-\
>R0j<:p :
七. 问题3 ?(hQZR
0e
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 f
}e7g d]M
*wx^mB9
template < typename T1, typename T2 > +Rd{ ?)2~
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const E8 )*HOT_T
{ 30-wTcG
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); fxa^SV
} /1GZN *I
a{6|[aR
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: AFA*_9Ut
aM1JG$+7 G
template < typename T1, typename T2 > U7'oI;C$e
struct result_2 wBGxJ\+M
{ u _^=]K;
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; bhT]zsBK
} ; 9~af\G
{u][q
&n
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? id9T[^h
这个差事就留给了holder自己。 +u.L6GcB
f%l#g ]]
:
s3Vl
template < int Order > 9e6{(
class holder; mw%_yDZ{
template <> $~\qoW<
class holder < 1 > c9k,Dc
{ B75SLK:h=
public : c9={~
template < typename T > Q&;qFv5-l
struct result_1 Q:=/d$*xd
{ ~+ur*3X
typedef T & result;
/PS]AM
} ; sP8B?Tn1W
template < typename T1, typename T2 > ^ 9E(8DD
struct result_2 !(o2K!v0
{ (\
%y)
typedef T1 & result; JC3)G/m(03
} ; (q7mzZY
template < typename T > 9)X<}*(qo
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 4\RuJx
{ )QT+;P.
return (T & )r; -|mRJVl8
} [G)Sq;
template < typename T1, typename T2 > #d(r^U#I
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const osI(g'Xb
{ )2hoO_l:
return (T1 & )r1; wkw/AZ{27
} tam/FzVw
} ; 7Kjq1zl;
^5F/=TtE G
template <> i>}z$'X
class holder < 2 > )I9(WVx!]
{ }(6k7{,Gw,
public : .?
/J
template < typename T > zvj\n9H
struct result_1 HB:i0m2fJW
{ !9NAm?Fw
typedef T & result; WDR!e2G
} ; QkAwG[4
template < typename T1, typename T2 > 64@s|m*
struct result_2 r8$TT\?~
{ QJ?!_2Ax
typedef T2 & result; st>t~a|T
} ; =uTV\)
template < typename T > >Fh@:M7z
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const '@P[fSQ
{ Ckp=d
return (T & )r; @YELqUb*
} p
IToy;]
template < typename T1, typename T2 > p,/^x~m3a
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const ?;Qk!t2U
{ :SGQ4@BV
return (T2 & )r2; O'(vs"eN
} &$f?XdZ7
} ; 4YC`dpO'
?0X.Ith^.
lNw?}H
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 kzu=-@s
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: )2S\:&x
首先 assignment::operator(int, int)被调用: DQ$/0bq
:h@:F7N _
return l(i, j) = r(i, j); ?9cy5z[
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) b :00w["
JZ
[&:
return ( int & )i; L`v,:#Y
return ( int & )j; I(SE)%!%S
最后执行i = j; w93,N+es6
可见,参数被正确的选择了。 *yx:nwmo
FqfeH_-U
l(W3|W#P
G 2##M8:U0
;d4_l:9p
八. 中期总结 ;f\0GsA#
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: Nx__zC^r
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 so*7LM?ib>
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 \9DTf:!4Z
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor |rQ;|+.
"fdG5|NJe
{H74`-C)W
<jF <_j
n>'}tT)U
#XZ?,neY
九. 简化 `4MPXfoBL
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。 K""04Ew*pV
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。
hT[O5
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: vEkz5$
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 rcOmpgew
+-*/&|^等 ~p.23G]x
2. 返回引用。 R\^tr
=,各种复合赋值等 [(XKqiSV
3. 返回固定类型。 X%sc:V
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 4Bz~_
4. 原样返回。 Y]PZ| G)
operator, d{&z^
5. 返回解引用的类型。 ;FUd.vg{
operator*(单目) :BS`Q/<w
6. 返回地址。 ;%}
operator&(单目) J{Jxb1:c
7. 下表访问返回类型。 4{TUoI6ii
operator[] rlq8J/0/+
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 R=l/EK
operator<<和operator>> .gB*Y!c7
9ccEF6o0=
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。 VCI G+Gz
例如针对第一条,我们实现一个policy类: DIY WFVh
YG_3@`-<
template < typename Left > 4s~o
struct value_return 01J.XfCd6
{ H:`r!5&Qb5
template < typename T > No?pv"
struct result_1 Kxq~,g=t
{ M1:m"#=
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; a)]N#gx
} ; /CP1mn6H
:\ S3[(FV
template < typename T1, typename T2 > TUT>*
struct result_2 E?V:dr
{ ^>>Naid
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; ?Gb
18m
} ; li'#< "R?'
} ; =8]'/b
wS4zAu
F=cO=5Iz
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait g#e"BBm=A
IzG7!K
下面我们来剥离functor中的operator() i<l)To -
首先operator里面的代码全是下面的形式: g$ h!:wW
J;qH w[6
return l(t) op r(t) JSM{|HJxh
return l(t1, t2) op r(t1, t2) _+GCd8d
return op l(t) 3Cpix,Dc
return op l(t1, t2) .gB#g{5+J
return l(t) op bAgKOfT
return l(t1, t2) op q
o'1Pknz
return l(t)[r(t)] GYBM]mW^ W
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] {YkW5zC(L
wi!Ml4Sb
很自然的,我们会想到用函数替代这种操作符行为以获得更加一致的形式: pl%ag~i5
单目: return f(l(t), r(t)); >o@WT kF]
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); h'
16"j>
双目: return f(l(t)); >y1/*)O9~
return f(l(t1, t2)); wFh{\
下面就是f的实现,以operator/为例 RxqXGM`4
%9IM|\ulp
struct meta_divide :U~[%]
{ {pVD`#Tl[
template < typename T1, typename T2 > *w!H -*`
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) 9 eP @} C6
{ +s`n]1HC
return t1 / t2; JI.ad_IR
} 9%4rO\q
} ; e|`&K"fnq
Lm8cY
这个工作可以让宏来做: )ZT&V