用C++实现LINQ的一些思路

最新推荐文章于 2024-10-24 10:51:43 发布

cyendra

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分类专栏： C++

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本文探讨如何在C++11中利用lambda表达式实现类似C#的LINQ功能，通过创建一个名为`linq_enumerable`的类，结合扩展函数`from`，实现对容器的查询、过滤、选择等操作。文章详细描述了`linq_enumerable`类的设计，包括使用迭代器处理不同的查询需求，并提供了简单的测试案例。

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假设现在有一个问题：对一个给定的数组A，计算其中元素的平方和。
熟悉命令式编程的人很快就能写出这样的代码：

    int A[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int sum = 0;
    for (auto it = begin(A); it != end(A); it++) {
        sum += (*it) * (*it);
    }
    cout << sum << endl;

熟悉函数式编程的人可以写出更简单的代码：

A = [1, 2, 3, 4, 5]
S = sum(map(lambda x: x*x, A))

但是当数据操作非常多时，函数的嵌套会严重影响可读性。
笑话一则：

苏联特工九死一生偷到了NASA太空火箭发射程序源代码的最后一页
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语言集成查询（英文：Language Integrated Query，缩写：LINQ），发音”link”，是一项微软技术，新增一种自然查询的SQL语法到.NET Framework的编程语言中，目前可支持Visual Basic .NET以及C#语言。

            int[] A = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
            int S = A.Select(x => x * x)
                     .Sum();

有没有感觉很简练。

换个稍微复杂点的问题：计算数组A中奇数元素的平方和。

            int[] A = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
            int S = A.Where(x => x % 2 != 0)
                     .Select(x => x * x)
                     .Sum();

现在问题来了，C++11已经支持lambda表达式了，能不能写一个库向C++中添加LINQ呢？

首先遇到的第一个困难，C#支持扩展类功能，可以向类中添加自定义的方法，而C++不行。由于不能直接给C++的数组添加方法，我们想到可以用数组做参数调用一个函数来返回一个类，而向这个类中添加LINQ的方法。把这个函数命名为from，把类命名为linq_enumerable。显然函数from接受一个表示容器的参数或两个表示区间的参数，返回类linq_enumerable的对象。

linq_enumerable类应该有怎样的结构呢？它需要支持全部的LINQ方法，包括对全部元素进行选择的方法select、where等，统计的方法contains、count等，以及对所有元素进行折叠处理的aggregate、sum等。

我们知道count、sum只能执行一次然后返回一个值，但是select、where等操作可以执行多次。所以select、where等方法的返回值仍然是一个linq_enumerable类的对象。
linq_enumerable类中并不应该保存元素本身，而是应该保存容器迭代器，这也是一般的函数式语言中的实现方式。因此select返回的对象与where返回的对象的唯一区别就是迭代器不同。我们可以设计一个通用的迭代器，它可以处理多种不同的迭代需求，包括跳过一些元素或者对一些元素做处理，但是更好的方法是对每一个操作都设计一个新类型的迭代器，比如select_iterator和where_iterator等，然后用模板来处理不同的迭代器。

现在linq_enumerable类的完整结构就可以确定了：

    template <typename TIterator>
    class linq_enumerable {
    private:
        TIterator _begin;
        TIterator _end;
    public:
    /*一堆方法*/

对于各种TIterator类，它需要接收一个或多个表示不确定类型的迭代器，并且视情况需要接受一个或多个不确定类型的lambda。因此TIterator类也需要用到模板，以select_iterator为例：


        template <typename TIterator, typename TFunction>
        class select_iterator {
        private:
            TIterator iterator;
            TFunction func;
        public:
            select_iterator(const TIterator& _iterator, const TFunction& _func) 
                : iterator(_iterator), func(_func) { }
            /*
            按需要重载operator++、operator*、operator==、operator!=等
            */

最重要的是重载operator++，在其中调用用户指定的lambda来处理数据或跳过数据。

这时候linq_enumerable类的select方法的只需要一行就能实现，只要用select_iterator做参数构造并返回一个新的linq_enumerable对象就可以了。

linq_enumerable类中的其他方法的实现似乎也没有什么难度，现在已经有了迭代器begin和end，想对其中的元素做什么操作都可以。

最后是from的实现：

    template<typename TIterator>
    linq_enumerable<TIterator> from(const TIterator& begin, const TIterator& end) {
        return linq_enumerable<TIterator>(begin, end);
    }

有了这样的一个结构，就可以向其中添枝加叶，实现LINQ的大部分功能应该没问题了。

简单的测试：

    int A[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int sum = from(A)
        .where([](int x){return x % 2 == 1; })
        .select([](int x){return x * x; })
        .sum();
    cout << sum << endl;