C++14尝鲜：在C++中实现LINQ

cpplinq

如今在C++中LINQ已经有了众多实现，其中实现度最高，更新最及时，文档最完整的当推LINQ for C++ (cpplinq)。

以下的示例代码使用C++14再现了cpplinq的主要实现技巧。

#include 
#include 

template
struct from_range
{
	// range接口的成员类型
	// 其含义为C++容器所包含数据的值类型
	using value_type = typename std::iterator_traits::value_type;

	// from_range内含三个指向数据的迭代器
	// 当前迭代器，其次迭代器，末尾迭代器
	TIterator current, upcoming, end;
	// from_range的构造器
	// 当前迭代器指向容器的开头
	// 其次迭代器指向容器的开头
	// 末尾迭代器指向容器的末尾
	from_range(TIterator begin, TIterator end)
		: current(begin), upcoming(begin), end(end) {}

	// range接口的成员方法
	// 重载>>操作符，该操作符接收一个build对象作为右操作符
	// 该操作符将自身传给builder对象的build方法，通过调用该方法实现对range的转换
	template
	decltype(auto) operator>>(TRangeBuilder builder) const { return builder.build(*this); }
	// front方法，返回当前迭代器所指向的数据，即当前数据
	decltype(auto) front() const { return *current; }
	// next方法，当前数据不存在则返回false，若存在则准备当前数据并返回true
	// 具体实现为
	// 1. 若其次迭代器与末尾迭代器的值相等，则其次迭代器已经指向容器末尾
	//    判断当前数据不存在，返回false
	// 2. 若其次迭代器与末尾迭代器的值不等，则其次迭代器尚未指向容器末尾
	//    将其次迭代器的值赋予当前迭代器，递增其次迭代器，令其指向下一个数据
	//    判断当前数据存在，返回true
	bool next() { return upcoming == end ? false : (current = upcoming++, true); }
};

template
struct where_range
{
	// range接口的成员类型
	// 其含义为转换源range所包含数据的值类型
	using value_type = typename TRange::value_type;

	// where_range内含两个数据成员
	// 转换源range，谓词（过滤条件）
	TRange range;
	TPredicate predicate;
	// where_range的构造器
	where_range(TRange range, TPredicate predicate)
		: range(range), predicate(predicate) {}

	// range接口的成员方法
	// 重载>>操作符，该操作符接收一个build对象作为右操作符
	// 该操作符将自身传给builder对象的build方法，通过调用该方法实现对range的转换
	template
	decltype(auto) operator>>(TRangeBuilder builder) const { return builder.build(*this); }
	// front方法，返回转换源range的当前数据
	decltype(auto) front() const { return range.front(); }
	// next方法，当前数据不存在则返回false，若存在则准备当前数据并返回true
	// 具体实现为
	// 扫描数据源range直至找到符合过滤条件的下一个数据
	// 若该数据存在，则当前数据存在，返回true
	// 否则当前数据不存在，返回false
	bool next(){
		while(range.next())
			if(predicate(range.front()))
				return true;
		return false;
	}
};

template
struct where_builder
{
	// where_builder只包含一个成员：谓词（过滤条件）
	TPredicate predicate;
	// where_builder的构造器
	where_builder(TPredicate predicate) : predicate(predicate) {}

	// builder接口的成员方法
	// build方法，生成并返回where_range对象
	template
	auto build(TRange range){
		return where_range(range, predicate);
	}
};

struct to_vector_builder
{
	// builder接口的成员方法
	// build方法，生成并返回C++容器
	// 具体实现为
	// 扫描数据源range
	// 将扫描所得到的数据依次插入到C++容器中
	template
	auto build(TRange range){
		std::vector result;
		while(range.next())
			result.push_back(range.front());
		return result;
	}
};

// LINQ操作符from，将C++容器转换成from_range对象
template
auto from(TContainer const& container)
{
	return from_range(std::begin(container), std::end(container));
}
// LINQ操作符where，生成并返回where_builder对象
template
auto where(TPredicate predicate) { return where_builder(predicate); }
// LINQ操作符to_vector，生成并返回to_vector_builder对象
auto to_vector() { return to_vector_builder(); }

int main()
{
	int a[] = {1, 2, 3, 4};
	// 找出数组a中所有的偶数，将结果存放到一个vector对象中
	auto v = from(a) >> where([](int n){return n % 2 == 0;}) >> to_vector();
	for(int i : v) std::cout << i << std::endl;
}

/*
2
4
*/

示例代码总共实现了cpplinq中的三个LINQ操作符from，where以及to_vector。

• LINQ操作符from是cpplinq世界的入口（之一），负责将C++容器转换为cpplinq的range。
• LINQ操作符where是cpplinq世界的转换器（之一），按照一定的条件来过滤cpplinq的range中所包含的数据。
• LINQ操作符to_vector是cpplinq世界的出口（之一），负责将cpplinq的range转换为C++容器。

range和builder

range和builder是cpplinq的两种基本元素。

range是cpplinq中的数据结构类，内部包含实际数据或者指向实际数据的迭代器。

• range可以通过from操作符与to_vector操作符和C++容器实现相互转换。也可以通过where操作符实现自身种类的转换。
• 示例代码总共实现了两种range：from_range和where_range。
• from_range由C++容器通过from操作符转换生成，内部包含指向C++容器中数据的迭代器。
• where_range由作为转换源的range通过where操作符转换生成，内部包含转换源range以及where操作符所包含的谓词（过滤条件）。

builder是cpplinq中的行为类，内部的build方法用于实现对range的转换。

• 通过调用builder类中的build方法，可以转换range的种类，也可以将range转换为C++容器。
• 示例代码总共实现了两种builder：where_builder和to_vector_builder。
• where_builder由where操作符生成，内部的build方法用于实现where操作符的功能：将range转换为where_range。
• to_vector_builder由to_vector操作符生成，内部的build方法用于实现to_vector操作符的功能：将range转换为C++容器。

典型用例分析
from_range >> where_builder >> to_vector_builder

• from_range重载了>>操作符，该操作符负责调用右操作数builder对象的build方法，并将自身作为参数传给该方法。
• where_builder的build方法返回where_range，因此from_range >> where_builder的结果应该是一个where_range。
• where_range同样重载了>>操作符，该操作符负责调用右操作数builder对象的build方法，并将自身作为参数传给该方法。
• to_vector_builder的build方法返回C++容器，因此where_range >> to_vector_builder的结果应该是一个C++容器。

示例代码分析
auto v = from(a) >> where([](int n){return n % 2 == 0;}) >> to_vector();

• from(a)将数组a转换为from_range对象。
• where([](int n){return n % 2 == 0;})生成where_builder对象，该对象内部包含一个是否为偶数的谓词（过滤条件）。
• to_vector()生成to_vector_builder对象。
• 由以上分析可知该段代码将生成典型用例分析中的调用关系，因此返回值v应该是一个C++容器。

range接口

cpplinq中所有的range类都实现了range接口。
range接口由一个成员类型和三个成员方法组成。

/// range接口
struct xxx_range
{
	// range接口的成员类型
	// 其含义为range类的front方法所返回的当前数据的值类型
	using value_type = typename ...;

	// range接口的成员方法
	// 重载>>操作符，该操作符接收一个build对象作为右操作符
	// 该操作符将自身传给builder对象的build方法，通过调用该方法实现对range的转换
	template
	decltype(auto) operator>>(TRangeBuilder builder) const { return builder.build(*this); }
	// front方法，返回当前数据
	decltype(auto) front() const { return ...; }
	// next方法，若当前数据不存在则返回false，若存在则准备当前数据并返回true
	bool next() { return ...; }
};

builder接口

cpplinq中所有的builder类都实现了builder接口。
builder接口只包含一个成员方法。

/// builder接口
struct xxx_builder
{
	// builder接口的成员方法
	// build方法，转换range的种类或者生成C++容器
	template
	auto build(TRange range){ return ...; }
};

select操作符

下面让我们来实现LINQ操作符select。
select操作符生成select_builder对象，该对象负责将range转换为select_range。

template
struct select_range
{
	// range接口的成员类型
	// 其含义为转换源range所包含数据经过映射后的值类型
	using value_type = typename decltype(std::declval()(std::declval()));

	// select_range内含两个数据成员
	// 转换源range，映射函数selector
	TRange range;
	TSelector selector;
	// select_range的构造器
	select_range(TRange range, TSelector selector)
		: range(range), selector(selector) {}

	// range接口的成员方法
	// 重载>>操作符，该操作符接收一个build对象作为右操作符
	// 该操作符将自身传给builder对象的build方法，通过调用该方法实现对range的转换
	template
	decltype(auto) operator>>(TRangeBuilder builder) const { return builder.build(*this); }
	// front方法，返回对转换源range的当前数据进行映射后的结果
	decltype(auto) front() const { return selector(range.front()); }
	// next方法，当前数据不存在则返回false，若存在则准备当前数据并返回true
	// 具体实现为
	// 调用数据源range的next方法
	bool next() { return range.next(); }
};

template
struct select_builder
{
	// select_builder只包含一个成员：映射函数selector
	TSelector selector;
	// select_builder的构造器
	select_builder(TSelector selector) : selector(selector) {}

	// builder接口的成员方法
	// build方法，生成并返回select_range对象
	template
	auto build(TRange range){
		return select_range(range, selector);
	}
};

// LINQ操作符select，生成并返回select_builder对象
template
auto select(TSelector selector) { return select_builder(selector); }

改写main函数以便测试select操作符。

int main()
{
	int a[] = {1, 2, 3, 4};
	// 找出数组a中所有的偶数，乘以2，将结果存放到一个vector对象中
	auto v = from(a) >> where([](int n){return n % 2 == 0;}) >> select([](int n){return n * 2;}) >> to_vector();
	for(int i : v) std::cout << i << std::endl;
}

/*
4
8
*/