一. 什么是Lambda 5}e-~-
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 PpN+q:(
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, WT(R =bLw
ox {Cm
O*oL(dk*8L
3 Yl[J;i
class filler =_cWCl^5
{ Pw
/wAUt
public : iZ[o2Tre
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} FQi"OZHq
} ; RCNqHYR
V&KH{j/P
*cTN5S>
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: n2-R[W^
=}7wpTc,
fE)+9!
s4SR6hBO
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); vE?qF9I{$0
?Z!itB~
oq]KOj[
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 gzzPPd,hd
}W<]fK
sr#,S(p
&nPv%P,e
二. 战前分析 !0`ZK-nA6
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 NLb/Bja
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 ) !ZA.sx
R|!4Y`
txr!3-Ne'!
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); \@OKB<ra
/* --------------------------------------------- */ zy@
#R ;
vector < int *> vp( 10 ); & A9psc(,&
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); . 36'=K
/* --------------------------------------------- */ OY~5o&Oa
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); ?vf{v
/* --------------------------------------------- */ WP^%[?S2
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); UDyvTfh1X
/* --------------------------------------------- */ y9\s[}c_
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); _* 4
<
/* --------------------------------------------- */ )#3,y6
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); TdD-#|5
oB9Fas!N
!9iVe7V
,`+y4Z6`W2
看了之后,我们可以思考一些问题: *JO"8iLw
1._1, _2是什么? XA9$n_|bw
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。 RWA|%/L
2._1 = 1是在做什么? {LJCY<IGq
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。 &;9<a^td
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='~t
6mdJ
=b#
F$F5N1<
三. 动工 ~>}BDsM
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: AH=6xtS-
*N'B(j/
?\\
]u
$BH0W{S
template < typename T > >)N,V;j
class assignment L/nz95
{ *o"F.H{#N
T value; "
I`YJEv
public : _Zf1=&U#/
assignment( const T & v) : value(v) {} w #(XiH*
template < typename T2 > '{( n1es
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } !c1
E
} ; 8agd{bxU
AW> P\>{RE
N@)4H2_u \
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 Hg(\EEe
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment d:sUh
Gq-U}r
z8z U3?
wm2Q(l*HH
class holder (nda!^f_s
{ oF,8j1
public : z
eIBB
template < typename T > o'Tqqrr
assignment < T > operator = ( const T & t) const ` S85i*
{ :X`J1E]Rjd
return assignment < T > (t); &2?kD{
} ?Cu#(
} ; TqbKH08i/
SKRD{MRsux
d G:=tf&1R
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: >b*Pd
*f
Fd'Ang6"
static holder _1; 8a?V h^
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 Uk*s`Y
$$qhX]^~
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); J)g(Nw,O
而不用手动写一个函数对象。 _5y)m5I
3'&]v6|
iQa Q"s
HM[BFF[;/
四. 问题分析 kFk+TXLDIt
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。 E) z g,7Y
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。 RNvtgZ}k{X
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 de ](l687I
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 eW >k'ez
下面我们可以对这几个问题进行分析。 O Zt 'ovY
'inWV* P*g
五. 问题1:一致性 I/^Lr_\
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?| 7%w4?Nv3I
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 m?B@VDZ
?+Qbr$]
struct holder j<L!ONvJ1
{ K{|;'N-1
// i,RK0q?>
template < typename T > o~GhV4vq
T & operator ()( const T & r) const * 5P/&*c|
{ s_1]&0<
return (T & )r; @$(4;ar
} @&M$`b
^
} ; hZzsZQ`
I|R9@
这样的话assignment也必须相应改动: \-sDRW
* rs_k/2(
template < typename Left, typename Right > <<;j=Yy({`
class assignment [9+M/O|Vs
{ 4L5Wa~5\
Left l; o-)E_X
Right r; iSFgFJG^
public : +Tu:zCv.
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} -@#AQ\
template < typename T2 > {h@R\bU
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } Q6vkqu5!=
} ; ruE.0V I@
)O7 Mfr
同时,holder的operator=也需要改动: msoE8YK&tg
uNx3us-
template < typename T > Za01z^
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const o}%
{ 6s|C:1](b
return assignment < holder, T > ( * this , t); +p43d:[
} Vx#xq#wK
H-UMsT=g]
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 e@Mm4&f[p
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 kF\QO
[
!Sw7!h.ut
return l(rhs) = r; f'%}{l: ss
在这一句中,r没有调用operator()而l调用了。这样以后就要不时的区分常数和functor,是不良的设计。 \j K?R
6
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: cCj}{=U
8H{@0_M
template < typename Tp > *YDx6\><
class constant_t }D|"$*
{ :W'1Q2
const Tp t; ^rxXAc[
public : DsFrA]
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} =n#xnZ3
template < typename T > mY%PG
const Tp & operator ()( const T & r) const @P@t/
{ FNm8j#c~Q
return t; g\jdR_/
} >eU;lru2Q
} ; XVI+Y
'vCFT(C-
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 p6ZKyi
下面就可以修改holder的operator=了 lR-4"/1|y
8`*`4m
template < typename T > ~i(*.Z)
\
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const isDr|g$S
{ Ig9$ PP+3
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); nq$^}L3&~
} I=lA7}
*J%+zH
同时也要修改assignment的operator() fd)}I23Q'
q=6M3OnS>
template < typename T2 > ~w!<J-z)
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); } CP={|]>+S
现在代码看起来就很一致了。 n7Re@'N<
4ci
@$nL1
六. 问题2:链式操作 8cW]jm
现在让我们来看看如何处理链式操作。 p_mP'
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。 8~4{e,} ,
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。 ^LnCxA&QH
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。 b9"Q.*c<Z^
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct &0N 3 p
YgVZq\AV"
template < typename T > WMYvE\"
struct result_1 b
~F85U2
{ h],_1!0
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; *DU86JL`
} ; -1U]@s
JZai{0se
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: /oh[Nu1D
eP;lH~!.0
template < typename T > RX#:27:
struct ref '{C=vW
{ `qUmOFl
typedef T & reference; `A?/Ww>;
} ; V}Oxz04
template < typename T > /J5wwQ
(:
struct ref < T &> LnM+,cBz
{ ,.DU)Wi?}
typedef T & reference; ]V}";cm;2
} ; `@eQL[Z9x
[x9eamJ,H
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: V<(cW'zA/
M`S >Q2{
template < typename T > 6&h,eQ!
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const B6|=kl2C
{ bY]aADv\
return l(t) = r(t); *n}{)Ef
} >a]{q^0
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。 X$J
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 %m{h1UQQ+
WG1x:,-
有了这个result_1,链式操作就简单多了。现在唯一要做的事情就是让所有的functor都重载各种操作符以产生新的functor。假设我们有add和divide两个类,那么 l? 7D0
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: lKwI lp
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 OBu$T&
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 z,$^|'pP
最后的布局是: i?||R|>;"'
Add joYj`K
/ \ 7)<&,BWc
Divide 5
NouT~K`'
/ \ 1[mX_ }K
_1 3 v-g2k_o|
似乎一切都解决了?不。 `Y8F}%i[
你可以想象一下一个完整的Lambda库,它必然能够重载C++几乎所有的操作符。假设其重载了10个操作符,那么至少会有10个代表这些操作符的functor类。大体上来讲,每一种操作符所对应的functor都应当能够由链式操作产生别的任意一种操作符所对应的functor。(例如:*_1 = 2既是由operator*的functor产生operator=的functor)。可想而知这样一共能产生10*10=100种产生方式。这是对编码的一个大挑战。 q,kdr)-
如何简化这个问题呢?我们不妨假定,任意一种操作符的functor,都能够产生任意一种操作符的functor,这样,每一种操作符的functor都拥有一样的产生方案。如果某种转换确实是不合法的(例如:A/B=C无论如何也不可能合法),那么在试图产生新functor的时候会出现编译错误。幸好C++的模版是如果不使用就不编译的,因此这种编译错误不会干扰到正常的使用,这正是我们所要的。 /2WGo-
OK,我们的方法呼之欲出了。既然所有的functor都具有一样的产生方案,那么不如大家都不要实现,等到最后统一的在所有的functor里面加上这么一系列的产生代码吧。例如,如果要添加从某functor XXX到operator=的functor的产生代码: ,uK
}$l
bm`x
template < typename Right > X8y&|uH
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const }zj_Pp
Right & rt) const ?3"lI,!0
{ qK,rT*5=
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); Me2%X>;
} Np+<)q2
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 {0QNqjue
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。 #8rLB(
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。 4Bs '5@
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。 kpLDK81I
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。 8)/d8@
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? J?LetyDNr]
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: O_*%_S}F&
3Vs8"BFjz
template < class Action > 0.=dOz r
class picker : public Action M;-PrJdyt
{ 7S}NV7
public : g-Vxl|hR
picker( const Action & act) : Action(act) {} d3<7t
// all the operator overloaded _-$(=`8|<{
} ; iTwb#Q=
'de&9\
Picker<T>继承自T,唯一的作用就是给T添加上了各种操作符的重载函数。 K>N\U@@8i
现在所有参与行动的functor都要套上一层picker, _1被声明为 picker<holder>, 并且holder中所重载的操作符除了operator()之外全部被移到了picker内。而picker中的操作符重载的返回的functor也必须套上一个picker: 0EKi?vP@y7
-LhO
</l
template < typename Right > b<n*wH
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Kejp7okb
{ Y;-$w|&P>
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); SFv'qDA
} 3 f@@|vZF
-U.>K,M
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > 9sJ=Nldq
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。 QV)>+6\
&N:Iirg
template < typename T > struct picker_maker _(l?gj
{ L7;8:^ v
typedef picker < constant_t < T > > result; m}hEi
} ; C3)*Mn3%P
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > xhK8Q
{ XXPn)kmWR
typedef picker < T > result; +saXN6
} ; ;-#2p^
%PM&`c98z7
下面总的结构就有了: "ngULpb{R
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。 JlR$"GU
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 {7'Wi$^F
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 }IEwGoDwNs
至此链式操作完美实现。 =h0vdi%{
%;_94!(hC
Xdh2
七. 问题3 ^F,sV*
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。 2. '` mGu
0xVw{k}1U
template < typename T1, typename T2 > & OYo
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const x<5ARK6\=
{ %|j`z?i|
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); /9ctmW1!<
} U}@xMt8@l
*IX<&u#
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: v|\3FEu@
HxSq&j*F
template < typename T1, typename T2 > ~jC+6v
struct result_2 ];xDXQd
{ qYoB;gp
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; ^G|*=~_
} ; bd]9kRq1K
4>A|2+K\
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? ;3x*pjLG:Q
这个差事就留给了holder自己。
b:Z&;A|"{
A:yHClmn
y+3+iT@i
template < int Order > E75/EQ5p]p
class holder; 3ew4QPT'
template <> wU6sU]P
class holder < 1 > is
}>+&_
{ ]Hp>~Zvbb
public : G/*;h,NbNr
template < typename T > DA1?M' N
struct result_1 B*Q 9g r
{ o?Aj6fNY?
typedef T & result; Z1#u&oX
} ; ~8s2p%~
template < typename T1, typename T2 > <d @9[]
struct result_2 >-w(P/
{ $=iw<B r
typedef T1 & result; Ve2{;`t
} ; jp_|pC'
template < typename T > =Ox}WrU~
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const #x;,RPw5
{ />Q}0Hg
return (T & )r; aaP_^m O
} NV7k@7_{B
template < typename T1, typename T2 > q3AqU?f
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const s1q8r!2\w
{ c/Xg ARCO
return (T1 & )r1; rtS' 90`
} 7:,f|>
} ; s$).Z(6
'IG@JL'
template <> _0(%^5Y
class holder < 2 > 1W\E`)Z}]
{ m>%b4M
public : !$A/.;0$
template < typename T > 4qdoF_
struct result_1 !!A0K"h
{ #F`A(n
typedef T & result; t%;w<1E
} ; B*N1)J\5
template < typename T1, typename T2 > y(o)}m*0
struct result_2 p}^5ru
{ RFMPh<Ac
typedef T2 & result; =e4 r=I
} ; yL*]_
template < typename T > @^A5{qQ\
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const =A.$~9P
{ Y8zTw`:V
return (T & )r; #0>xa]S
} MC* Hl`C
template < typename T1, typename T2 > g:>'+(H ;
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const T9C_=0(hn
{ 0^lWy+
return (T2 & )r2; CmZayV
} L.Qz29\
} ; +{1.kb
Zq
I |U'@E
.E<nQWz8
新的holder变成了holder<int>, holder<n>的n个参数的operator()会返回第n个参数的值。而_1,_2也相应变为picker<holder<1> >, picker<holder<2> >。 ;$QC_l''b
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的:
27EK+$
首先 assignment::operator(int, int)被调用: DcW?L^Mst
<.Ws; HN}
return l(i, j) = r(i, j); 1Y|a:){G
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) j-":>}oW2.
yd).}@
return ( int & )i; N%
4"9K
return ( int & )j; GC{M"q|_
最后执行i = j; 83n%pS4x
可见,参数被正确的选择了。 eXW|{asx
$@>0;i::
u.ggN=Z
BDTL5N
);$99t
八. 中期总结 TaN{xpo
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: _y@].G
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 mHxR4%i5
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 Fl-\{vOn
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor !cwZ*eM
qI+2,6
sGI
{_QdB;VwH
.UG`pRC
`#N/]4(j
|_V(^b}
九. 简化 QO2cTk
m
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。 y0%1YY
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 q` q;og
`
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: `Mnu<)v
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 rmiOeS`:
+-*/&|^等 =~B"8@B
2. 返回引用。 CMXF[X)%
=,各种复合赋值等 AcC &Q:g
3. 返回固定类型。 yD7BZI
xW
各种逻辑/比较操作符(返回bool) ieFl4hh[G
4. 原样返回。 o4);5~1l
operator, 1~5DIU^
5. 返回解引用的类型。 qN $t_
operator*(单目) 0cd_l
2f#g
6. 返回地址。 S6TNu+2w4
operator&(单目) Y;"k5+ q
7. 下表访问返回类型。 bGPE0}b
operator[] YOCEEh?
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 Dl,QCZeM
operator<<和operator>> d2k-MZuT6
55[ 4)*
OK,这样我们将返回值类型总结为以上8种,就可以将各种result_x从functor中剥离出来了。 t@q'm.:uw<
例如针对第一条,我们实现一个policy类: &!!*xv-z
H;H=8'
template < typename Left > 7T~M`$h
struct value_return [$N_YcN?
{ f5jl$H.
template < typename T > 1+l 8%G=hB
struct result_1 rIyH/=;
{ ;b~ S/
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; PwY/VGT
} ; 'ofj1%c
0-2|(9
Kc
template < typename T1, typename T2 > b}e1JPk}!
struct result_2 jHLs
5%
{ D=tZ}_'{t
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; &q