C语言实现通用数据结构的高效设计
近期在阅读一个开源的C++代码。里面用到了大量的STL里面的东西。或许是自己一直用C而非常少用C++来实现算法的原因。STL里面大量的模板令人心烦。一直对STL的效率表示怀疑,但在网上搜到这样一个帖子,说C的标准库里面高速排序比STL的标准排序要慢!于是,便认真的看了下二者的源代码,发现C++里面的std::sort综合运用了部分高速排序和堆排序算法,而C标准库里面用的是通用数据结构的高速排序,C标准库里面的qsort之所以比std::sort慢。是由于C语言中为了适配全部的数据结构使用了空指针。以下以更为简单的插入排序为例说明这个问题。
插入排序的算法实现代码:
void insert_sort(int a[], int n)
{
int i, j;
int t;
for (i = 1; i < n; i++) {
t = a[i];
j = i;
while ((j > 0) && (a[j - 1] > t)) {
a[j] = a[j - 1];
j--;
}
a[j] = t;
}
}
上述插入排序的实现仅仅能针对整数类型进行排序,假设数据类型是浮点型。则要自己又一次把代码拷贝一份。而且更改函数名以及数据类型。
假设是双精度的,又或者是对自己定义的结构体数组进行排序呢? 显然,这不是一种非常好的解决方式。 而用空指针能够解决问题。
通用数据类型的插入排序实现代码:
void general_insert_sort(void* arr, int num_element, int element_bytes, int (*cmp_fun)(void* p1, void* p2))
{
int i, j;
int t[1024];
if (element_bytes > 4096){
return;
}
#define ELE(arr, i) (void*)(((unsigned)arr) + (i) * element_bytes)
for (i = 1; i < num_element; i++) {
memcpy(t, ELE(arr, i), element_bytes);
j = i;
while ((j > 0) && (cmp_fun(ELE(arr, j - 1), (void*)t))) {
memcpy(ELE(arr, j), ELE(arr, j - 1), element_bytes);
j--;
}
memcpy(ELE(arr, j), (void*)t, element_bytes);
}
}
上述通用插入排序的实现有一个限制。就是待排序数组里面每个元素的大小不能超过4k,当然对于简单的系统提前定义好的数据类型,数组元素的大小最大为double,仅仅有8个字节,这是远远的足够用的。假设你自己定义的结构体的大小太大,比如大于这里设置的4K,则没有必要用此方法排序,由于此时数据移动会占用大部分时间,此时应该考虑用索引排序的方法。
上面的方法尽管攻克了随意数据类型的问题,可是其效率并不怎么高。相对于上述第一段代码而言,简单的赋值语句必须得调用一个函数来拷贝数据。简单的比較语句,则须要调用外部传入一个函数指针得到比較结果。
这是效率低下的根本原因。
而C++模板參数的出现,仅仅须要写一份代码,编译器依据你调用时候的数据类型自己主动生成新的代码。其有用宏也能够完毕通用的功能。这里给出C语言宏的代码。C++模板的代码也非常easy。
#define FIV_IMPLEMENT_INSETT_SORT(function_name, T, LT_CMP)\
void function_name(T* arr, int low, int high)\
{\
int i, j;\
T t;\
for (i = low + 1; i < high; i++) {\
t = arr[i];\
j = i;\
while ((j > low) && (LT_CMP(t, arr[j - 1]))) {\
arr[j] = arr[j - 1];\
j--;\
}\
arr[j] = t;\
}\
}
上面的宏定义能够看做是一种模板定义,能够用于随意数据类型。
假设你要对整数进行排序。非常easy,用以下的两个宏。一个宏定义比較运算。一个宏为函数定义:
#define CMP(a, b) ((a) < (b))
FIV_IMPLEMENT_INSETT_SORT(insert_sort_int, int, CMP)
这样就有一个用于整数排序的函数insert_sort_int可用,假设是你自己定义的结构体类型,则相同仅仅须要写这两个宏就能够了。
结尾:
用C++模板产生的代码大小是不使用模板的非常多倍,而用C语言的空指针能够支持随意数据类型,代码大小非常小,而用C语言的宏定义产生模板函数的代码大小理论上和使用STL的大小是一样的。
经过本人測试。随便一个特定数据结构的高速排序递归实现,都比c++ stl里面的std::sort要快。
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