Enhance algorithms and limits modules with improved functionality and tests

.agents/docs/plans/implementation-plan.md

@@ -1,10 +1,12 @@
-# Primitives 下一步实现计划清单（2026-03-23）
+# Primitives 下一步实现计划清单（2026-03-26）
 
 ## 总体原则
 
 - [ ] 先定义稳定 API 边界，再落地实现
 - [ ] 每个能力都配套 tests + examples + docs
 - [ ] 高风险转换默认禁止隐式触发，只允许显式 API
+- [ ] 明确分层职责：`algorithms` 负责值域/排序/边界元信息与值算法；`conversion` 负责显式类型变换
+- [ ] 明确依赖方向：`conversion` 可依赖 `algorithms`，`algorithms` 不反向依赖 `conversion`
 
 ## M1. C API 互操作层（双向）
 
@@ -27,21 +29,30 @@
 ### 工作清单
 
 - [ ] 扩展 concept 分层（category/representation/policy-capability）
-- [ ] 完善 `traits<T>` 元信息（`kind`、`rep_type`、limits、policy tags）
-- [ ] 提供检测类 API（可转换性/是否有损/错误模型能力）
+- [ ] 明确 `underlying::traits<T>` 与 `algorithms::traits<T>` 的职责边界：前者描述表示层；后者描述值算法层
+- [ ] 完善 `traits<T>` 元信息（`kind`、`rep_type`、policy tags）
+- [ ] 设计 `algorithms::traits<T>`，内容参考 `std::numeric_limits`，但只保留算法/比较所需子集：
+- [ ] `min()` / `lowest()` / `max()` / `epsilon()` / `infinity()` / `quiet_nan()`
+- [ ] `is_bounded` / `is_exact` / `is_signed` / `is_integer` / `is_iec559`
+- [ ] `has_infinity` / `has_quiet_nan` / `digits` / `digits10` / `radix`
+- [ ] 增加排序能力元信息：`comparison_category`、`totally_ordered`、`partially_ordered`、`unordered_possible`
+- [ ] 提供双参聚合元信息：`algorithms::common_traits<Lhs, Rhs>`，统一暴露 `common_rep`、可比较性、边界查询与策略兼容性
+- [ ] 提供检测类 API（可比较性/可裁剪性/可转换性/是否有损/错误模型能力）
 - [ ] 统一 `constexpr` 查询入口，减少分散 traits 访问
 - [ ] 增加编译期测试矩阵（`static_assert` 覆盖）
 
 ### 验收标准
 
 - [ ] 上层模块仅依赖公开 concept/traits，不依赖 `details::*`
-- [ ] 元信息可支撑转换层与算法层的约束判定
+- [ ] `algorithms::traits` 可直接支撑算法层判定，并作为 conversion 的元信息依赖
+- [ ] `std::numeric_limits` 相关逻辑不再散落在 `conversion`/`operations` 内部
 
 ## M3. 显式转换层（任意策略组适用）
 
 ### 工作清单
 
 - [ ] 设计统一接口族（建议）：`explicit_cast`、`try_cast`、`checked_cast`
+- [ ] 将边界、NaN、无穷大、精度与排序相关判定统一改为依赖 `algorithms::traits` / `algorithms::common_traits`
 - [ ] 支持任意策略组组合，不绑定特定策略实现
 - [ ] 风险可见化（截断/溢出/精度损失）并可程序化读取
 - [ ] 定义失败语义（错误码或 expected 风格，按策略可配置）
@@ -51,28 +62,37 @@
 
 - [ ] 所有跨类高风险转换必须走显式 API
 - [ ] 风险信息可在编译期或运行期被确定性获取
+- [ ] `conversion` 模块仅消费 `algorithms` 提供的元信息，不反向定义算法层协议
 
-## M4. 算法层（以 max/min 为起点）
+## M4. 算法层（traits 先行，以 max/min 为起点）
 
 ### 工作清单
 
+- [ ] 确定模块结构：`mcpplibs.primitives.algorithms`、`mcpplibs.primitives.algorithms.traits`、`mcpplibs.primitives.algorithms.compare`、`mcpplibs.primitives.algorithms.minmax`
+- [ ] 先实现 `algorithms::traits` 与 `algorithms::common_traits`，作为整个算法层与 conversion 的基础依赖
+- [ ] 约束算法职责只涉及值的比较、选择、裁剪与边界处理，不提供目标类型导向的 cast API
+- [ ] `max`/`min` 内部仅允许做 `common_rep` 归一化或排序语义协商，不绕回 conversion 层
 - [ ] 实现 `max`/`min`，并预留 `clamp`/`compare` 扩展位
-- [ ] 算法统一依赖 M2+M3 的公开接口，不绕过转换层
-- [ ] 支持同类与受约束的异类输入
+- [ ] 支持同类输入与受约束的异类输入；异类场景必须满足 `common_rep`、排序能力与策略组约束
+- [ ] 明确 `partial_ordering` / `unordered` 语义，尤其是浮点 `NaN` 路径
+- [ ] 为 `clamp`/`compare` 抽出复用内核：公共比较、边界判定、值选择
 - [ ] 在可行范围保持 `constexpr`/`noexcept` 特性
-- [ ] 增加边界测试（极值、NaN、有符号/无符号混合）
+- [ ] 增加边界测试（极值、NaN、有符号/无符号混合、不同 `comparison_category`）
 
 ### 验收标准
 
 - [ ] 算法行为与策略约束一致
 - [ ] 风险路径始终显式、可审计
+- [ ] `algorithms` 可独立编译并被 `conversion` 依赖，不形成反向模块耦合
+- [ ] 算法层实现不通过“显式转换 API”间接完成值比较
 
 ## 建议推进顺序
 
 1. M2（先夯实约束与元信息基础）
-2. M1（建立跨语言边界）
-3. M3（收敛转换风险）
-4. M4（复用基础能力实现算法）
+2. M4 前半：`algorithms::traits` / `common_traits` / 排序能力查询
+3. M3（让 conversion 改为依赖 algorithms 元信息）
+4. M4 后半：`max` / `min` / `clamp` / `compare`
+5. M1（建立跨语言边界，可按需求并行推进）
 
 ## 总体完成跟踪
 

src/algorithms/algorithms.cppm

@@ -0,0 +1,6 @@
+module;
+
+export module mcpplibs.primitives.algorithms;
+
+export import mcpplibs.primitives.algorithms.hash;
+export import mcpplibs.primitives.algorithms.limits;

src/algorithms/hash.cppm

@@ -0,0 +1,81 @@
+module;
+
+#include <concepts>
+#include <cstddef>
+#include <functional>
+#include <type_traits>
+
+export module mcpplibs.primitives.algorithms.hash;
+
+import mcpplibs.primitives.underlying;
+
+namespace mcpplibs::primitives::algorithms::details {
+
+template <typename T>
+concept std_hashable = requires(std::remove_cv_t<T> const &value) {
+  {
+    std::hash<std::remove_cv_t<T>>{}(value)
+  } -> std::convertible_to<std::size_t>;
+};
+
+} // namespace mcpplibs::primitives::algorithms::details
+
+export namespace mcpplibs::primitives::algorithms {
+
+template <typename T> struct hash {
+  using value_type = std::remove_cv_t<T>;
+  using result_type = std::size_t;
+
+  static constexpr bool enabled = false;
+
+  auto operator()(value_type const &) const noexcept -> result_type {
+    return result_type{};
+  }
+};
+
+template <typename T>
+using hash_result_t = hash<std::remove_cvref_t<T>>::result_type;
+
+template <typename T>
+concept hashable = hash<std::remove_cvref_t<T>>::enabled;
+
+template <typename T>
+  requires details::std_hashable<T>
+struct hash<T> {
+  using value_type = std::remove_cv_t<T>;
+  using result_type = std::size_t;
+
+  static constexpr bool enabled = true;
+
+  auto operator()(value_type const &value) const noexcept(
+      noexcept(std::hash<value_type>{}(value))) -> result_type {
+    return std::hash<value_type>{}(value);
+  }
+};
+
+template <underlying_type T>
+  requires (!details::std_hashable<T> &&
+            !std::same_as<std::remove_cv_t<T>,
+                          typename underlying::traits<std::remove_cv_t<T>>::rep_type> &&
+            hash<typename underlying::traits<std::remove_cv_t<T>>::rep_type>::enabled)
+struct hash<T> {
+  using value_type = std::remove_cv_t<T>;
+  using rep_type = underlying::traits<value_type>::rep_type;
+  using result_type = hash_result_t<rep_type>;
+
+  static constexpr bool enabled = true;
+
+  auto operator()(value_type const &value) const noexcept(
+      noexcept(hash<rep_type>{}(underlying::traits<value_type>::to_rep(value))))
+      -> result_type {
+    return hash<rep_type>{}(underlying::traits<value_type>::to_rep(value));
+  }
+};
+
+template <hashable T>
+auto hash_value(T const &value) noexcept(
+    noexcept(hash<std::remove_cvref_t<T>>{}(value))) -> hash_result_t<T> {
+  return hash<std::remove_cvref_t<T>>{}(value);
+}
+
+} // namespace mcpplibs::primitives::algorithms

src/algorithms/limits.cppm

@@ -0,0 +1,199 @@
+module;
+
+#include <concepts>
+#include <limits>
+#include <type_traits>
+
+export module mcpplibs.primitives.algorithms.limits;
+
+import mcpplibs.primitives.underlying;
+
+namespace mcpplibs::primitives::algorithms::details {
+
+template <typename T>
+concept has_numeric_limits =
+    std::numeric_limits<std::remove_cv_t<T>>::is_specialized;
+
+template <typename T>
+consteval auto category_from_type() -> underlying::category {
+  using value_type = std::remove_cv_t<T>;
+  if constexpr (std_bool<value_type>) {
+    return underlying::category::boolean;
+  } else if constexpr (std_char<value_type>) {
+    return underlying::category::character;
+  } else if constexpr (std::numeric_limits<value_type>::is_integer) {
+    return underlying::category::integer;
+  } else {
+    return underlying::category::floating;
+  }
+}
+
+} // namespace mcpplibs::primitives::algorithms::details
+
+export namespace mcpplibs::primitives::algorithms {
+
+template <typename T> struct limits {
+  using value_type = std::remove_cv_t<T>;
+  using rep_type = value_type;
+
+  static constexpr bool enabled = false;
+  static constexpr bool is_specialized = false;
+  static constexpr bool is_bounded = false;
+  static constexpr bool is_exact = false;
+  static constexpr bool is_signed = false;
+  static constexpr bool is_integer = false;
+  static constexpr bool is_iec559 = false;
+  static constexpr bool has_infinity = false;
+  static constexpr bool has_quiet_nan = false;
+  static constexpr int digits = 0;
+  static constexpr int digits10 = 0;
+  static constexpr int radix = 0;
+  static constexpr auto kind = static_cast<underlying::category>(-1);
+
+  static constexpr auto min() noexcept -> value_type { return {}; }
+  static constexpr auto lowest() noexcept -> value_type { return {}; }
+  static constexpr auto max() noexcept -> value_type { return {}; }
+  static constexpr auto epsilon() noexcept -> value_type { return {}; }
+  static constexpr auto infinity() noexcept -> value_type { return {}; }
+  static constexpr auto quiet_nan() noexcept -> value_type { return {}; }
+};
+
+template <typename T>
+  requires details::has_numeric_limits<T>
+struct limits<T> {
+  using value_type = std::remove_cv_t<T>;
+  using rep_type = value_type;
+
+  static constexpr bool enabled = true;
+  static constexpr bool is_specialized = true;
+  static constexpr bool is_bounded = std::numeric_limits<value_type>::is_bounded;
+  static constexpr bool is_exact = std::numeric_limits<value_type>::is_exact;
+  static constexpr bool is_signed = std::numeric_limits<value_type>::is_signed;
+  static constexpr bool is_integer = std::numeric_limits<value_type>::is_integer;
+  static constexpr bool is_iec559 = std::numeric_limits<value_type>::is_iec559;
+  static constexpr bool has_infinity =
+      std::numeric_limits<value_type>::has_infinity;
+  static constexpr bool has_quiet_nan =
+      std::numeric_limits<value_type>::has_quiet_NaN;
+  static constexpr int digits = std::numeric_limits<value_type>::digits;
+  static constexpr int digits10 = std::numeric_limits<value_type>::digits10;
+  static constexpr int radix = std::numeric_limits<value_type>::radix;
+  static constexpr auto kind = details::category_from_type<value_type>();
+
+  static constexpr auto min() noexcept -> value_type {
+    return std::numeric_limits<value_type>::min();
+  }
+
+  static constexpr auto lowest() noexcept -> value_type {
+    return std::numeric_limits<value_type>::lowest();
+  }
+
+  static constexpr auto max() noexcept -> value_type {
+    return std::numeric_limits<value_type>::max();
+  }
+
+  static constexpr auto epsilon() noexcept -> value_type {
+    return std::numeric_limits<value_type>::epsilon();
+  }
+
+  static constexpr auto infinity() noexcept -> value_type {
+    return std::numeric_limits<value_type>::infinity();
+  }
+
+  static constexpr auto quiet_nan() noexcept -> value_type {
+    return std::numeric_limits<value_type>::quiet_NaN();
+  }
+};
+
+template <underlying_type T>
+  requires (!details::has_numeric_limits<T> &&
+            !std::same_as<std::remove_cv_t<T>,
+                          typename underlying::traits<std::remove_cv_t<T>>::rep_type> &&
+            limits<typename underlying::traits<std::remove_cv_t<T>>::rep_type>::enabled)
+struct limits<T> {
+  using value_type = std::remove_cv_t<T>;
+  using rep_type = underlying::traits<value_type>::rep_type;
+  using rep_limits = limits<rep_type>;
+
+  static constexpr bool enabled = true;
+  static constexpr bool is_specialized = rep_limits::is_specialized;
+  static constexpr bool is_bounded = rep_limits::is_bounded;
+  static constexpr bool is_exact = rep_limits::is_exact;
+  static constexpr bool is_signed = rep_limits::is_signed;
+  static constexpr bool is_integer = rep_limits::is_integer;
+  static constexpr bool is_iec559 = rep_limits::is_iec559;
+  static constexpr bool has_infinity = rep_limits::has_infinity;
+  static constexpr bool has_quiet_nan = rep_limits::has_quiet_nan;
+  static constexpr int digits = rep_limits::digits;
+  static constexpr int digits10 = rep_limits::digits10;
+  static constexpr int radix = rep_limits::radix;
+  static constexpr auto kind = underlying::traits<value_type>::kind;
+
+  static constexpr auto min() noexcept -> value_type {
+    return underlying::traits<value_type>::from_rep(rep_limits::min());
+  }
+
+  static constexpr auto lowest() noexcept -> value_type {
+    return underlying::traits<value_type>::from_rep(rep_limits::lowest());
+  }
+
+  static constexpr auto max() noexcept -> value_type {
+    return underlying::traits<value_type>::from_rep(rep_limits::max());
+  }
+
+  static constexpr auto epsilon() noexcept -> value_type {
+    return underlying::traits<value_type>::from_rep(rep_limits::epsilon());
+  }
+
+  static constexpr auto infinity() noexcept -> value_type {
+    return underlying::traits<value_type>::from_rep(rep_limits::infinity());
+  }
+
+  static constexpr auto quiet_nan() noexcept -> value_type {
+    return underlying::traits<value_type>::from_rep(rep_limits::quiet_nan());
+  }
+};
+
+template <typename T>
+concept limited_type = limits<std::remove_cvref_t<T>>::enabled;
+
+template <typename T>
+using limit_value_t = limits<std::remove_cvref_t<T>>::value_type;
+
+template <limited_type T>
+constexpr auto min_value() noexcept(
+    noexcept(limits<std::remove_cvref_t<T>>::min())) -> limit_value_t<T> {
+  return limits<std::remove_cvref_t<T>>::min();
+}
+
+template <limited_type T>
+constexpr auto lowest_value() noexcept(
+    noexcept(limits<std::remove_cvref_t<T>>::lowest())) -> limit_value_t<T> {
+  return limits<std::remove_cvref_t<T>>::lowest();
+}
+
+template <limited_type T>
+constexpr auto max_value() noexcept(
+    noexcept(limits<std::remove_cvref_t<T>>::max())) -> limit_value_t<T> {
+  return limits<std::remove_cvref_t<T>>::max();
+}
+
+template <limited_type T>
+constexpr auto epsilon_value() noexcept(
+    noexcept(limits<std::remove_cvref_t<T>>::epsilon())) -> limit_value_t<T> {
+  return limits<std::remove_cvref_t<T>>::epsilon();
+}
+
+template <limited_type T>
+constexpr auto infinity_value() noexcept(
+    noexcept(limits<std::remove_cvref_t<T>>::infinity())) -> limit_value_t<T> {
+  return limits<std::remove_cvref_t<T>>::infinity();
+}
+
+template <limited_type T>
+constexpr auto quiet_nan_value() noexcept(
+    noexcept(limits<std::remove_cvref_t<T>>::quiet_nan())) -> limit_value_t<T> {
+  return limits<std::remove_cvref_t<T>>::quiet_nan();
+}
+
+} // namespace mcpplibs::primitives::algorithms