一. 什么是Lambda _')KDy7
所谓Lambda,简单的说就是快速的小函数生成。 %"KBX~3+Kj
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, \lY26'
fq F1-%
-7pZRnv
4Yn*q~f
class filler UhEnW8^bz1
{ ]"YG7|E U
public : xknP
`T
void operator ()( bool & i) const {i = true ;} = j}00,WH
} ; t;4{l`dk
i^gzl_!
!D6@ \
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: $Z;0/\r%
UnO -?
z{%G
ChBZGuO:
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = true ); VTV-$Du[}
( E0be.
|~Z+Xla
那么下面,就让我们来实现一个lambda库。 "1l d4/
Q}m)Q('Rk
Z&21gN
"0]i4d1l
二. 战前分析 43(+3$V M7
首先要说明的是,我并没有读过boost.lambda或其他任何lambda库的代码,因此如代码有雷同,纯属巧合。 2?m'Dy'JE
开始实现以前,首先要分析出大致的实现手法。先让我们来看几段使用Lambda的代码 l$zM|Z1wR`
1YS{;
y[o
?5+=
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); evn ]n
/* --------------------------------------------- */ ,I)/ V>u
vector < int *> vp( 10 );
ft$/-;
transform(v.begin(), v.end(), vp.begin(), & _1); hDfsqSK0 /
/* --------------------------------------------- */ & }}o9
sort(vp.begin(), vp.end(), * _1 > * _2); }b~ZpUL!
/* --------------------------------------------- */ >-]Y%O;}
int b = * find_if(v.begin, v.end(), _1 >= 3 && _1 < 5 ); P/0n)
Q
/* --------------------------------------------- */ n*' |7 #;
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << * _1 << ' \n ' ); 2AU_<Hr6
/* --------------------------------------------- */ \f%jN1z
for_each(vp.begin(), vp.end(), cout << constant( ' \n ' ) << * _1); 4m%_#J{
zf6k%
i"zWv@1z
#:236^xYS
看了之后,我们可以思考一些问题: 5]gd,&^?>
1._1, _2是什么? iGm[fxQ|
显然_1和_2都满足C++对于标识符的要求,可见_1和_2都是对象。 EAx@a%
2._1 = 1是在做什么? mO]>(^c
既然_1是一个对象,那么_1的类必然重载了operator=(int)。那么operator=返回什么呢?该函数所返回的对象被传入for_each的第3个参数,可见其返回了一个函数对象。现在整个流程就很清楚了。_1 = 1调用了operator=,其返回了一个函数对象,该函数对象能够将参数1赋值为1。 ?mrG^TV^+r
Ok,回答了这两个问题之后,我们的思路就很清晰了。如果要实现operator=,那么至少要实现2个类,一个用于产生_1的对象,另一个用于代表operator=返回的函数对象。 !7Ta Vx}`(
4WDh8U
_kgw+NA&-H
三. 动工 RV7l=G9tq
首先实现一个能够范型的进行赋值的函数对象类: JZN'U<R
bf::bV?T
rsA K0R+
NtSa#$A
template < typename T > sy#CR4X
class assignment Svy bP&i|
{ $^d,>hJi
T value; h_Q9c
public : g/'MECB
assignment( const T & v) : value(v) {}
e]$}-i@#
template < typename T2 > g+Sbl
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return rhs = value; } Uyg5i[&X@
} ; )f[
B6Y
J\:R|KaP<p
<66X Xh.
其中operator()被声明为模版函数以支持不同类型之间的赋值。 (3Two}
然后我们就可以书写_1的类来返回assignment %7IugHH9y
BW}U%B^.
e478U$
C'.L20qW
class holder wnEyl[ac
{ ORHp$Un~)
public : CYs,`
template < typename T > ${2fr&Tp
assignment < T > operator = ( const T & t) const Q*(C)/ QW
{ HK.J/Zr
return assignment < T > (t); eF\C?4
} 00TdX|V`
} ; nJ@hzK.
Hvk?(\x
2J;CiEB
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: f ebh1rUX
1MSu])
W
static holder _1; H|O}Dsj
Ok,现在一个最简单的lambda就完工了。你可以写 M*uG`Eo&
Sa~C#[V
for_each(v.begin(), v.end(), _1 = 1 ); h!]A(T\J
而不用手动写一个函数对象。 x~^nlnKVf
`7ZJB$7D|*
gV;GC{pY
b>WT-.b0
四. 问题分析 |SleSgS<#
虽然基本上一个Lambda已经初步实现出来了,但是仔细想想,问题也是很多的。 B:.rp.1
1, 我们现在是把_1和functor看成两个不同的存在,会导致代码的重复。 Zv93cv
2, 目前这个Lambda还无法实现如_1 = 2 = 3这样的链式操作。 BD+?Ad?
3, 我们没有设计好如何处理多个参数的functor。 //|Vj | =
下面我们可以对这几个问题进行分析。 eW%jDsC
1L7,x @w
五. 问题1:一致性 '~0&m]N
首先来看看1,合并_1和functor的最佳方法就是把_1本身也变成functor。那么_1的operator()会做什么事情呢?| 89bKnsV
很明显,_1的operator()仅仅应该返回传进来的参数本身。 K(2s%
8EA?'~"
struct holder x
,W+:l9~s
{ 9~yuyv4$
// ZxQP,Ys_Y
template < typename T > JsP<etX
T & operator ()( const T & r) const E)>.2{]C>
{ A_8Xhem${
return (T & )r; !#y_vz9
} ~cv322N
} ; i 1dE.f;
'8w}m8{y
这样的话assignment也必须相应改动: >;Ag7Ex
qt{lZ_$
template < typename Left, typename Right > Efp[K}Z^$
class assignment 3s\}|LqX#
{ po9f[/s'+o
Left l; ;{lb_du2:
Right r; >\?RYy,s$
public : F5y0(=$T
assignment( const Left & l, const Right & r) : l(l), r(r) {} B@j2^Dr~!
template < typename T2 > rSa=NpFxLu
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r; } YMn*i<m
} ; <EKTFHJ!
N&yr?b'!-*
同时,holder的operator=也需要改动: oNhCa>)/
NR3h|'eC
template < typename T > &>f]
assignment < holder, T > operator = ( const T & t) const ??#SQSU
{ "IHFme@^
return assignment < holder, T > ( * this , t); +mPVI
} CzDV^Iv;Q{
=odK i "-6
好,这样holder也成为了一个functor,这为我们以后添加功能节省了很多代码。 ]T<tkvcI
你可能也注意到,常数和functor地位也不平等。 >fi_:o
qizQt]l
return l(rhs) = r; 5?Ukf$)x
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。 a>Wr2gPko
那么我们仿造holder的做法实现一个常数类: *C);IdhK%y
e I9#JM|2
template < typename Tp > .ah[!O
class constant_t -^Qm_lN
{ 8<x&
Xd
const Tp t; sd%m{P2
public : 1N[9\Yi
constant_t( const Tp & t) : t(t) {} )Ma/]eZ^I
template < typename T > ce[
Maw
const Tp & operator ()( const T & r) const h1H$3TpP
{ :='I>Gn
return t; d}y")q|F
} F9"Xu-g
} ; ~s
yWORiXm
W&k@p9
该functor的operator()无视参数,直接返回内部所存储的常数。 |c>.xt~
下面就可以修改holder的operator=了 i;atYltEJ2
18Vn[}]"
template < typename T > ==UYjbuU
assignment < holder, constant_t < T > > operator = ( const T & t) const Cmp5or6d
{ @?jtB
return assignment < holder, constant_t < T > > ( * this , constant_t < T > (t)); {1_<\~J
} +/bD9x1H
q6ZewuV.
同时也要修改assignment的operator() /M JI^\CA
]9PG"<^k
template < typename T2 > `8r$b/6
T2 & operator ()(T2 & rhs) const { return l(rhs) = r(rhs); }
peHjKK
现在代码看起来就很一致了。 'N^*,
:+
mULUi
六. 问题2:链式操作 9Z }<H/q
现在让我们来看看如何处理链式操作。 x4/{XRQ
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。 vvG"rU
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。 8#\|Y~P
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。 PD^G$LT
现在我们在assignment内部声明一个nested-struct =av0a!
q(X7e
template < typename T > 5F!Qn\{u{
struct result_1 93Zij<bH?e
{ p_
f<@WE
typedef typename ref < typename Left::result_1 < T > ::result > ::reference result; MN8>I=p
} ; g*(z.
LF
@_|oI
那么如果参数为T,其返回值类型就为result_1<T>::result。上面代码的ref<T>为一个类型转换类,作用是返回T的引用。不直接加上&符号的原因是如果T本身就是Q的引用Q&,那么Q&&是非法的。因此ref的实现即为: jO/cdLKX(
* nFzfV
template < typename T > 73]8NVm
struct ref C/QmtT~`e
{ )iM(
\=1ff
typedef T & reference; }*U|^$FEU
} ; @?3^Ks_
template < typename T > z9g ++]rkJ
struct ref < T &> ,vO\n^
{ l
S3LX
typedef T & reference; "\O7_od-
} ; qH5nw}]
G0|}s&$yL
有了result_1之后,就可以把operator()改写一下: w/O'&],x
;Ce?f=4
template < typename T > j7MUA#6$
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & t) const s9a`2Wm
{ cc*?4C/t
return l(t) = r(t); qJ(uak
} !'~L dl
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。 _/z_
X
同理我们可以给constant_t和holder加上这个result_1。 deArH5&!
TIZ2'q5wg
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 ||Owdw|{
_1 / 3 + 5会出现的构造方式是: 6u #eLs
_1 / 3调用holder的operator/ 返回一个divide的对象 Xz^k.4 Y{4
+5 调用divide的对象返回一个add对象。 `kxC#
&HO
最后的布局是: ~?Vo d|>
Add =1dczJHV
/ \ W4&8
Divide 5 Pj]^p{>
/ \ @--"u_[
_1 3 Uz_p-J0
似乎一切都解决了?不。 @IsUY(Gu
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。 B*mZxY1
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。 Qw5(5W[L
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: x'|9A?ez@Z
ULxQyY;32
template < typename Right > \XmplG:
assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > operator = ( const g*My1+J!
Right & rt) const bR)P-9rs
{ V\x'w*FP
return assignment < XXX, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); ]|eMEN['
} -%Vh-;Ie(
下面对该代码的一些细节方面作一些解释 D{Nd2G
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。 __xmn{{L6P
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。 |Vqm1.1/Zv
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。 z^`4n_(Ygu
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。 hBX.GFnw
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? G gA:;f46
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: |(*btdqy3
J)B3o$
template < class Action > SQ> Yf\
class picker : public Action ]:D&kTc
{ .eg'Z@o
public : zO\_^A|8H
picker( const Action & act) : Action(act) {} Qc-W2%
// all the operator overloaded [[^r;XKQ
} ; Jj[3rt?8
5I6?gv/
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。 yN{**?b
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: *\xRNgEQ
XchD3p+uB
template < typename Right > @H$am
picker < assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > > operator = ( const Right & rt) const Od;k}u6;<
{ D$)F
X(
return assignment < Action, typename picker_maker < Right > ::result > ( * this , rt); uKXU.u*C
} aC1 xt(
-u%o) ;B
Piker_maker返回的也是picker<T>,或者picker<constant_t<T> > }0E@eL
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。 hlV(jz
|tI{MztJ"c
template < typename T > struct picker_maker O su 75@3
{ E'g?44vyw
typedef picker < constant_t < T > > result; m#Y[EPF=|
} ; td!YwN*
template < typename T > struct picker_maker < picker < T > > xI>HY9i)
{ H`T8ydNXa
typedef picker < T > result; %(}%#-X
} ; )\PPIY>iP
NG+%H1!$_
下面总的结构就有了: P*!~Z*"
functor专心模拟操作符的行为,并实现一个result_1来告诉别人自己的返回类型。 `ElJL{Rn
picker专心负责操作符之间的产生关系,由它来联系操作符合functor。 G=(ja?d
picker<functor>构成了实际参与操作的对象。 Y 8Dn&W
至此链式操作完美实现。 uY;7&Lw
y1
cgV5{|P
w+][L||4c
七. 问题3 |-Q="7b%
如何使用多参数的函数对象呢?考虑_1=_2,这个functor必须接受2个参数,因此所产生的assignment对象的operator()必须能接收2个参数。 UA3!28Y&E3
q,>-4Cm
template < typename T1, typename T2 > AMe_D
??? operator ()( const T1 & t1, const T2 & t2) const f\u5=!kjN
{ pP)> x*1
return lt(t1, t2) = rt(t1, t2); Ha/Gn!l
} 70F(`;
l\6.f_
很明显,这个函数的返回类型会依赖于T1,T2,因此result_1已经无法适用,我们就只好再写一个result_2: FIN0~
8
Ae8P'FWB>
template < typename T1, typename T2 > Uqd2{fji=#
struct result_2 WqRaD=R->;
{ zbZN-j#
typedef typename ref < typename Left::result_2 < T1, T2 > ::result > ::reference result; z^Y4:^L~I
} ; O_P8OA#|
)U+Pt98"
显然,各个functor似乎根本不理会各个参数那个是_1, 那个是_2, 那么最后是怎么选择的呢? )YPut.
这个差事就留给了holder自己。 &`B
Tw1u
9xRor<
rPx:o}&<
template < int Order > a=r^?q'/
class holder; }&Ul(HR
template <> ^K?Mq1"Db
class holder < 1 > 9RQw6rL
{ .B_a3K4'{^
public : ."h>I @MH
template < typename T > Ey]P
>J
struct result_1 t}fU 2Yb
{ dk.VH!uVb
typedef T & result; [J6q(}f
} ; (;2]`D [x
template < typename T1, typename T2 > *3h!&.zm
struct result_2 WV,j
<x9w
{ nD!5I@D
typedef T1 & result; yr
q){W
} ; qVr?st
template < typename T > FQO>%=&4
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const L=)Arj@q
{ B'-L-]\H
return (T & )r; _Bq [c
} o]WG8Mo-
template < typename T1, typename T2 > :M\3.7q
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const }!1pA5x$
{ <lf6gb
return (T1 & )r1; o(3`-ucD`
} i4\m/&of3y
} ; -n]E\"
5u^;71
template <> O;SD90
class holder < 2 > nhI1`l&
{ ?vocI
public : Sj9NhtF]f
template < typename T > O_[]+5.TX
struct result_1 g/jlG%kI}
{ O`2hTY\
typedef T & result; 2R`/Oox
} ; +I_p\/J?w/
template < typename T1, typename T2 > IWP[?U=
struct result_2 U
Y')|2y
5
{ ?%wM 8?
typedef T2 & result; )+v'@]r
} ; Q??nw^8Hi
template < typename T > &dvL`
typename result_1 < T > ::result operator ()( const T & r) const 707-iLkt.1
{ <|c[
#f
return (T & )r; _%6Vcy
} '(&,i/O
template < typename T1, typename T2 > 7 J+cs^2
typename result_2 < T1, T2 > ::result operator ()( const T1 & r1, const T2 & r2) const &Ez]pKjB
{ 8jm\/?k|
return (T2 & )r2; [;8vO=Z
} drEND`,@6|
} ; N
cnL -k.
Sp^jC
Xu
sN9
SuQ
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> >。 Hsi<!g.
现在让我们来看看(_1 = _2)(i. j)是怎么调用的: \ws^L,h
首先 assignment::operator(int, int)被调用: _.G p}0a
z{ydP Ra
return l(i, j) = r(i, j); n
2m!a0;
先后调用holder<1>::operator()(int, int)和holder<2>::operator()(int, int) Fmux#}Z
(N` x
return ( int & )i; (&ABfm/t
return ( int & )j; Nw|m"VLb
最后执行i = j; -x2/y:q `
可见,参数被正确的选择了。 Dt)\q^bH)
trmCIk&Fkj
9^h\vR|]S
1g6AzUXg
j<>|Hi
#`
八. 中期总结 fk4s19;?
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: !)RND 6.
1。 实现一个functor,该functor的operator()要能执行该操作符的语义 Eq^k @
2。 在该functor中实现result_1至result_n,其中n是支持参数的最大值。 uZ( I|N$
3。 在picker中实现一个操作符重载,返回该functor ,wE]:|`qJ
Zws[}G"7h
o^;$-O!/
;4tVFqR
kA?a}
xc[@lr
九. 简化 xRYL{+
很明显,要支持一个操作符所要做的工作太多了,而且在每个functor中申明result_1至result_n,可见如果n发生变化,维护的开销极大。 )ALPMmlRs
我们现在需要找到一个自动生成这种functor的方法。 I&]d6,
首先,我们注意到result_x的形式很统一。对于各种操作符,其返回值无非下列几种: b'Qia'a%
1. 返回值。如果本身为引用,就去掉引用。 L ^} Z:I
+-*/&|^等 b{<qt})
2. 返回引用。 9{|JmgO!
=,各种复合赋值等 t
m?[0@<s
3. 返回固定类型。 q\ FF)H
各种逻辑/比较操作符(返回bool) 5=tvB,Ux4
4. 原样返回。 =3OK3|
operator, Vrn. #d
5. 返回解引用的类型。 py.lGywb_
operator*(单目) ia
1Sf3
6. 返回地址。 zvV<0 Z
operator&(单目) Kk1 591'
7. 下表访问返回类型。 |m7U^
operator[] ^%|,G:r
8. 如果左操作数是一个stream,返回引用,否则返回值 R06L4,/b
operator<<和operator>> :+{G|goZ*
j_*$Avy
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。 7$3R}=Z`\q
例如针对第一条,我们实现一个policy类: C]S~DK1
)Ve-) rZ
template < typename Left > 6cR}Mm9Hx3
struct value_return fP 1V1ao
{ Vb{5 -v
;a
template < typename T > VnlgX\$}
struct result_1 O} &%R:
{ KJs/4oR;
typedef typename const_value < typename Left::template result_1 < T > ::result_type > ::value_type result_type; FG6bKvEQm^
} ; K:cZq3F
k0/S&e,*
template < typename T1, typename T2 > |Y9mre.Y;
struct result_2 !EuqJjh
{ d41DcgG'j(
typedef typename const_value < typename Left::template result_2 < T1, T2 > ::result_type > ::value_type result_type; p-S&Wq
} ; Pw:{
} ; O'i!}$=g
oRALhaI
J?1U'/Wx2
其中const_value是一个将一个类型转为其非引用形式的trait - Mubq
[2l2w[7Rid
下面我们来剥离functor中的operator() zT< P_l
首先operator里面的代码全是下面的形式: h;lg^zlTb
5Xr<~xr
return l(t) op r(t) aQTISX;
return l(t1, t2) op r(t1, t2) !%lcn
O
return op l(t) ;dR4a@
return op l(t1, t2) JK/VIu&!
return l(t) op T!F0_<
return l(t1, t2) op <pXF$a:s
return l(t)[r(t)] 6`JY:~V"
return l(t1, t2)[r(t1, t2)] 7%0V ?+]P
H[M(t^GM
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: Y;uQq-C P
单目: return f(l(t), r(t)); $.0l% $ 7
return f(l(t1, t2), r(t1, t2)); Ig{
3>vB
双目: return f(l(t)); {pR4+g
return f(l(t1, t2)); 1v
M'yr$
下面就是f的实现,以operator/为例 ulAOQGZ
/9 ^F_2'_
struct meta_divide 0LW|5BVbIO
{ GLpl
template < typename T1, typename T2 > !^FR a{b
static ret execute( const T1 & t1, const T2 & t2) 7/># yR
{ AW')*{/(Ii
return t1 / t2; \v]esIP5R'
} {Y7dE?!`7
} ; \YZ7
M. o}?
这个工作可以让宏来做: l =X6m(
PZ[hH(EX
#define DECLARE_META_BIN_FUNC(op, desc, ret) struct meta_##desc{\ 9[@K4&