一. 什么是Lambda FvuGup`w
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。
I.@hW>k
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, $RwB_F
\zkw2*t
$BDBN_p
vNOH&ja-s
class filler 0 Hw-59MK
{ \mN[gT}LHm
public : '[(nmx'yVJ
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} b2^AP\: k
} ; 3PUAH
cj|*_}
Na,_
这样实现不但麻烦,而且不直观。而如果使用lambda,则允许用户使用一种直观和见解的方式来处理这个问题。以boost.lambda为例,刚才的问题可以这么解决: Q_"\Q/=?Do
daAyx-
l0Ti Z
geefnb
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); PaCzr5!~f
X#UMIlU
ZDYJhJ.
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 i_LF`JhEQT
!sA_?2$
hsG#6?l3
7C?.L70ZY
二. 战前分析 %im#ww L%
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。 QldzQ%4c\
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 [$(R#tZ+
}98>5%Uv
dYojm1MQ
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); >1irSUj"~
/* --------------------------------------------- */ f|a DTWF
vector < int *> vp( 10 ); YY4-bNj[p
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); "n\%_'R\hH
/* --------------------------------------------- */ lZt(&^T
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); SHqyvF
/* --------------------------------------------- */ ;+I4&VieK
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); K,}w]b
/* --------------------------------------------- */ ,
Ut Hc]
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); H.J5i~s
/* --------------------------------------------- */ re,.@${H
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); r7!J&8;{K
FX,$_:f6Y
{rkn q_;0
9g?xlue#?
看了之后,我们可以思考一些问题: 8!h'j
1._1, _2是什么? O'}llo
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 h K}bj
2._1 = 1是在做什么? BSp$F WvT?
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。 +~|AT+|iI
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。 abY0)t
de-0?6
,\hYEup
三. 动工 udT xNl!
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: K a r~I
o|287S|$
d0C8*ifFO
9Nl*4
template < typename T > Z[,`"}}hv=
class assignment Yn[x #DS
{ &?$\Y,{
T value; ~440#kj<
public : Tj,Nmb>Q7'
assignment( const T & v) : value(v) {} ] EyeBF)$
template < typename T2 > 2_olT_#
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } l:tpL(%
} ; L/k40cEI^z
l/ V&s<
qU6BA\ZL
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 q lY\*{x4
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment S_!R^^ySG9
w?ai,Pw
(/q}mB
*!u?
class holder [>uwk``_
{ |,fh)vO
public : A1!:BC
template < typename T > ~M[>m~8
assignment < T > operator = ( const T & t) const \2eFpy(
{ 7jZrU|:yu(
return assignment < T > (t); 2?*1~ 5~I
} anitqy#E
} ; 0N1' $K$\
qi[(*bFK7
# 8qyg<F
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: \R;K>c7=
sRil>6QR
static holder _1; {1 HB!@%,(
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Cs;<'[_?YO
&1$8q0
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); :,=Fx</H
而不用手动写一个函数对象。 ~g96o81V
h=wf>^l
0eaUorm)
|=OpzCs
四. 问题分析 I9s$bRbT
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。 D99N#36PU
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。 .i\wE@v
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 :6sGX p
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 JbVi1?c
下面我们可以对这几个问题进行分析。 \Em-.%c
)muv;Rf`e5
五. 问题1:一致性 oYGUjI
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?| |7Yvq%E
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 i!ds {`d
7@\GU].2
struct holder vzQyE0T/
{ d<)s@Ntgm
// _fe0,
template < typename T > 5D>BV*"
T & operator ()( const T & r) const dnLo(<{<U
{ k.h^ $f
return (T & )r; L)=8mF.
} O\:;q*]
} ; 3 pHn_R
ge@reGfsB1
这样的话assignment也必须相应改动: TosPk(o(
9O2a |
d
template < typename Left, typename Right > T\.7f~3
class assignment >J?jr&i
{ ]VmzKA|h+
Left l; L)j]~^P$-
Right r; j `w;z: G
public : '&1
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} 6Eij>{v
template < typename T2 > ktdz@f
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } s n=zh1 A
} ; _-YL!oP
@)S sKk|
同时,holder的operator=也需要改动: _?*rtDzIM
Qj{$dqmDN
template < typename T > GC,vQ\
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const B=r]_&u-u
{ ,7WK<0
return assignment < holder, T > ( * this , t); oR!n bm
} _wIBm2UO
{IF}d*:
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。 w50.gr7
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 QfKR
pnj(o
|SwZi'p
return l(rhs) = r; \pT^Zhp)
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。 5&GQ=m
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: YqK+F=0
YMd&To 0s
template < typename Tp > (xjoRbU*
class constant_t ;H D 4~3
{ #3 }5cC8_
const Tp t; FkB6*dm-
public : {Zd)U "
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} UeutFNp
template < typename T > n0>5'm%ES
const Tp & operator ()( const T & r) const `[g#Mxw
{ 1"~O"m sb
return t; +8?R+0P
} 62k9"xSH
} ; GA%"w=M\
~{3o(gzl
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 75^)Ni
下面就可以修改holder的operator=了 \]~kyy
'>S8t/
template < typename T > l>[QrRXiSN
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const etQx>U
{ TV[6+i*#
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); x3p;H02i\
} a3(7{,Ew
D!OG307P
同时也要修改assignment的operator() o0-fUCmC
|P[D2R}
template < typename T2 > ;_Of`C+
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } )U/@J+{{
现在代码看起来就很一致了。 leX7(Y;!a7
}.Na{]<gh
六. 问题2:链式操作 1,*Z_ F=y
现在让我们来看看如何处理链式操作。 u\Erta`
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。 ]'bQ(<^#
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。 <or>bo^
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。 iJynR [7
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct k:HSB</}
^r?sgJ
template < typename T > VUg~[
struct result_1 (VF4FC
{ ck4T#g;=
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; EL)/5-=S
} ; _UVX
dBD4ogo1
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: /9vMGef@
zLIa! -C
template < typename T > *M\i4FO8
struct ref si"mM>e
{ ^VLUZ
typedef T & reference; O]4
x;`)
} ; 5M.n'*
template < typename T > /{#_Um0.
struct ref < T &> #t9=qR~"
{ I5<#SW\a?
typedef T & reference; S|5lx7
} ; FoelOq6
Lq8Z!AIw>
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: odT7Gq
d_?Zr`:
template < typename T > 0f}Q~d=QL
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const PTc\I
{ 0tm "kzy
return l(t) = r(t); 3x;y}:wQa
} "GC]E8&>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。 i:N^:%
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 r1H['{$
QT&Ws+@
s{
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 hm} :Me$[)
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 2BU)qv-
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 =&g}Y
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 E1 gTrMo
最后的布局是: a>jI_)L
Add ii]=C(e9
/ \ 3Os3=Ix
Divide 5 z&J ow/
/ \ F p=Q$J|
_1 3 [q{Txe
似乎一切都解决了?不。 s{EX ;
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。 98BBsjkd
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。 <XcMc<h~
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: I)/7M}t`
&Or=_5Y`
template < typename Right > 7D_kkhN
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const (<~R[sT|
Right & rt) const +6Fdi*:
{ NHVx!Kc
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); t
}C
^E
} cb&In<q
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 92ww[+RQ@
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。 ymVd94L
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。 4O"kOEkKT>
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。 tnbs]6
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。 b2kbuk]
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? Gqb-3ngH
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: mSw?iL
JkDZl?x5
template < class Action > 5va&N<U
class picker : public Action {%~Ec4r
{ 5 9HaTq
public : r&~iEO|?\
picker( const Action & act) : Action(act) {} 3Ty{8oUs^
// all the operator overloaded 9s6lt#?b
} ; =QO[zke:
s-S"\zX\D
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。 ;pK"N:|
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: [ +@<T)
5!{g6=(
template < typename Right > <a}|G1 h
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const )@|Fh@|
{ QHz76i!=>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); b<cM[GaV~
}
vXZz=E
AH
T0)y5
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > U4pvQE.m<
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。 'MlC
1HEp
KTJ$#1q
template < typename T > struct picker_maker B y8Tw;aL
{ rmoEc]kt]
typedef picker < constant_t < T > > result; $466?
oI
} ; jM<Ihmh|
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > 3`q`W9
{ B\w`)c
typedef picker < T > result; NistW+{<
} ; p5BcDYOw`
oIgj)AY<
下面总的结构就有了: /T'nY{
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。 He23<hd!
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。 ?OdA`!wE
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 $QnfpM%+=
至此链式操作完美实现。 py4_hj\v
'FXZ`+r|
Tr!X2#)A!
七. 问题3 O,6!`\N D
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 Im#$iPIvT
( mMz]b5
template < typename T1, typename T2 > y~ LVK8
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const !!>G{
{
H:Le^WS
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); PdnK@a
} (k45k/PAP
x{5*%}lX8
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: gH.^NO5\'
[i _x
1
template < typename T1, typename T2 > |&Wo-;Ud
struct result_2 np(<Ap r
{ {}e IpK,+
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; Lo4t:H&
} ; u6RHn;b
@I:&ozy }=
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? `6su_8Hno
这个差事就留给了holder自己。 &rKhB-18)
#n
r1- sf|
Qg=~n:j
template < int Order > H;ib3?
class holder; Nx'j+>bz>y
template <> i=@*F$,
class holder < 1 > o~p^`5#
{ RqR X
public : pDQ,v"
template < typename T > ,fRb6s-
struct result_1 /8T{bJ5
{ =j-{Mxb3
typedef T & result; |Sm/Uq(c
} ; fJKOuFK
template < typename T1, typename T2 > 00+5a
TrE
struct result_2 ^gImb`<6-
{ C.O-iBVe#
typedef T1 & result; u#<]>EtbB
} ; yFjSvm6
template < typename T > t|%ul6{gz
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const A\>qoR!Y
{ b._pG(o1
return (T & )r; sXA=KD8
} J5wq}<8
template < typename T1, typename T2 > {1[8,Ho
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const NT0q!r/!
{ q_bB/
return (T1 & )r1; wB@A?&UY
} t"Rn#V\c."
} ; ?uQpt(
p6p_B
template <> 8}2
`^<U
class holder < 2 > Flsf5 Tr0
{ 3f0RMk$pH
public : |yr}g-m
template < typename T > Em;zi.Y+V
struct result_1 'tekne
{ HUH=Y;
typedef T & result; Pg7/g=Va
} ; tP3Upw"U
template < typename T1, typename T2 > *=rl<?tX
struct result_2 %5b2vrg~*
{ gwyz)CUkL
typedef T2 & result; 9496ayi
} ; cOSUe_S0w[
template < typename T > ==&=3
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const ;TYkJH"
{ &12.|
return (T & )r; GKX#-zsh79
} ?o2L
template < typename T1, typename T2 > ebf0;1!
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const RaR$lcG+iY
{ EyhQjsaT
return (T2 & )r2; !^w+<p
} u?!p[y6
} ; ffd yDUzQ
,Ao8QN
."${.BPn~
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> >。 N7XRk=J
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: Hc71 .rqS
首先 assignment::operator(int, int)被调用: "~tEmMz
8@ b83
return l(i, j) = r(i, j); JVRK\A|R
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) !I@"+oY<
>#SQDVFf
return ( int & )i; KdUmetx1
return ( int & )j; YDP<
最后执行i = j; )tB mSVprl
可见,参数被正确的选择了。 VK8 5A
{JMFCc[
E}UlQq
.pZwhb
+PjH2
八. 中期总结 : -OHD#>%
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: 6#v"+V
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 |+%K89W
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 qm2
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor &{99Owqg
|:C=j/f
,JX/`7y
u9 J;OsnHK
5F$W^N
[/xw5rO%
九. 简化 .M!HVq47m
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 52=?!
JM
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 mJl|dk_c
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: jU/0a=h9
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 %R(1^lFI$
+-*/&|^等 1 %K^(J;
2. 返回引用。 s+l)Q
=,各种复合赋值等 7YrX3Hx8
3. 返回固定类型。 ;CD@RP{$n
各种逻辑/比较操作符(返回bool) _Uc le
4. 原样返回。 \^i/:
operator, YLk/16r
5. 返回解引用的类型。 BNL Q]
operator*(单目)
G<U MZg
6. 返回地址。 f
0D9Mp
operator&(单目) >d%;+2
7. 下表访问返回类型。 *H8(G%a!^
operator[] 0x*L"HD
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 w-LMV>+6|
operator<<和operator>> A@^Y2:pY
\L Gj]mb1
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 ,onOwPz
例如针对第一条,我们实现一个policy类: Z(k7&^d
ju~js
template < typename Left > p'tB4V qT
struct value_return 3=SIIMp7=
{ 4Hc+F(
template < typename T > Ev+m+
struct result_1 b;A(6^V
{ b\&|030+
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; R-5EztmLae
} ; KsZd.Rf=@
_\uyS',
template < typename T1, typename T2 > ;w--fqxVl
struct result_2 w_4/::K*
{ HY|=Z\l"
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type;
_8]hn[
} ; IY jt*p5
} ; {kVhht]X
XqX6UEVR4
M`{~AIqd(
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait `_M*2(rt
2GkJ7cL
下面我们来剥离functor中的operator() Twl>Pn>
首先operator里面的代码全是下面的形式: e!BablG[
*>"k/XUn$
return l(t) op r(t) gK7bP'S8H
return l(t1, t2) op r(t1, t2) #ub!
return op l(t) ]A.:8;
return op l(t1, t2) Ut|G.%1Vd%
return l(t) op A|Z'\D0
return l(t1, t2) op $w%n\t>B
return l(t)[r(t)] gN./u
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] "'i" @CR
Wg \`!T
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: 0 1~&H8 =
单目: return f(l(t), r(t)); 'a1%`rzm
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); {tqLH2cO
双目: return f(l(t)); p:g`K#[F
return f(l(t1, t2)); e;_ cC7
下面就是f的实现,以operator/为例 >M1m(u84#
<S/`-/=2
struct meta_divide 9j6##@{
{ 6@N?`6Bt
template < typename T1, typename T2 > z^xrB$8
u
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) _@-D/g
{ ? dD<KCbP,
return t1 / t2; 39j "z8n
} \*24NB
} ; gA`x-`
iP nu *29
这个工作可以让宏来做: e<