C语言是简洁的强大的,当然也有很多坑。C语言也是有点业界良心的,至少它实现了2个最最常用的算法:快速排序和二分查找。

我们知道,对于C语言标准库 qsort和 bsearch:

a. 它是“泛型”的,可以对任何类型进行排序或二分。

b. 我们使用时必须自定义一个比较函数当作函数指针传入。

c语言要实现泛型,基本上就只有 void指针提供的弱爆了的泛型机制,容易出错。

这篇文章中,我实现了 标准库qsort和bsearch函数,最基本的正确性和泛型当然要保证了。

在这里,不涉及优化(写标准库实现的那帮人恨不得用汇编实现),只展现算法的运行原理和泛型的实现机制。

1.C语言标准库qsort源码实现。我先呈上完整实现,然后具体剖析。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <string.h> void swap(const void* a, const void* b, int size)
{
assert(a != NULL && b != NULL);
char tmp = ;
int i = ;
while (size > ) {
tmp = *((char*)a + i);
*((char*)a + i) = *((char*)b + i);
*((char*)b + i) = tmp;
++i;
--size;
}
} void Qsort(void* base, int left, int right, int size, int (*cmp)(const void* a, const void* b))
{
assert(base != NULL && size >= && cmp != NULL); /* left may be < 0 because of the last - 1 */
if (left >= right) return;
char* pleft = (char*)base + left * size;
char* pkey = (char*)base + (left + (right - left) / ) * size;
swap(pleft, pkey, size);
int last = left;
char* plast = (char*)base + last * size;
for (int i = left + ; i <= right; ++i) {
char* pi = (char*)base + i * size;
if (cmp(pi, pleft) < ) {
++last;
plast = (char*)base + last * size;
swap(pi, plast, size);
}
}
swap(pleft, plast, size);
Qsort(base, left, last - , size, cmp);
Qsort(base, last + , right, size, cmp);
} int cmp_string(const void* a, const void* b)
{
assert(a != NULL && b != NULL);
const char** lhs = (const char**)a;
const char** rhs = (const char**)b;
return strcmp(*lhs, *rhs);
} int cmp_int(const void* a, const void* b)
{
assert(a != NULL && b != NULL);
const int* lhs = (const int*)a;
const int* rhs = (const int*)b;
if (*lhs < *rhs) {
return -;
} else if (*lhs == *rhs) {
return ;
} else {
return ;
}
} int main(int argc, char* argv[])
{
int a[] = {-, , , , , , , , , };
int len1 = sizeof(a) / sizeof(a[]);
fprintf(stdout, "before sort:\n");
for (int i = ; i < len1; ++i) {
fprintf(stdout, "%d ", a[i]);
}
fprintf(stdout, "\n"); Qsort(a, , len1 - , sizeof(a[]), cmp_int);
fprintf(stdout, "after sort:\n");
for (int i = ; i < len1; ++i) {
fprintf(stdout, "%d ", a[i]);
}
fprintf(stdout, "\n"); const char* b[] = {"what", "chenwei", "skyline", "wel", "dmr"};
int len2 = sizeof(b) / sizeof(b[]);
fprintf(stdout, "before sort:\n");
for (int i = ; i < len2; ++i) {
fprintf(stdout, "%s-->", b[i]);
}
fprintf(stdout, "\n"); Qsort(b, , len2 - , sizeof(b[]), cmp_string);
fprintf(stdout, "after sort:\n");
for (int i = ; i < len2; ++i) {
fprintf(stdout, "%s-->", b[i]);
}
fprintf(stdout, "\n");
}

qsort基本实现在K&R里有非常详细的描述,我这里重点解释的是 swap函数,这个函数是实现泛型的基石。

首先对qsort函数原型说明几点:

a.Qsort函数原型里面没有标准库qsort的 len, 而是使用 left 和 right 来指明每次待排序的区间,用两个值来表示一个区间非常直观且优雅。

b.对于数据类型大小,我没有使用 size_t 无符号类型。

C语言中无符号类型虽然可以对数组提供负向越界保证和2倍空间,但是由于坑爹的类型提升规则滋生了N多的bug,我是尽量少用这个。

然后就是 swap函数.

首先我们知道 数据元素都是以 比特位 形式暂存在 内存中的,后简化为以 字节 形式暂存在内存中。

我们平常的一个 swap 函数,如果交换的数据是 int 型, 我们就是:

void swap(int* a , int* b) {
int tmp = *a;
*a = *b;
*b = tmp;
}

现在我们不知道元素是什么类型,那我们怎么做到泛型呢? 首先 传入的两个指针肯定是 void 指针,如何确定 void所指元素类型呢? 其实我们这里是不需要知道 元素类型的。

我们这里的目的是什么? 我们就是要 交换两个元素的 字节序列,我们每次交换一个字节,直到交换完为止,这样就达到目的了,这时我们就需要第三个参数:待排元素的所占字节数。

我们知道C语言中结构体是可以直接复制的,比如:

struct test {
int a;
char b;
};
struct test a, b;
a = b;

C语言是怎样支持这种直接复制呢? 其实最终就是 两个元素的字节序列的复制。注意到,如果struct里面有指针,那么这个结构体是引用语义的,两个元素的指针成员指向同一内存。

我们这里的swap函数其实就是 手工模拟了 类似结构体复制 的整个过程。我们每次交换一个 字节,总共交换的次数就是 元素的sizeof大小。

注意两点:

a. 数据的字节序列是有 大端小端之分的,我的这个实现是不能 跨大端小端的。如果排序过程都始终都在同一机器中,那么无需担心。

b. 数据的字节序列可能是有 内存对齐的,主要是在结构体之中。 所以我的这个实现受 机器 内存对齐规则的影响,但是 排序发生在同一机器中的话,这个是不会影响正确性的。

总而言之,代码实现受机器底层 数据大小端表示和 内存对齐策略 的影响。但是实际上 一个排序过程是不可能 一部分进行在这台机,另一部分在另外一台机器上进行的(仅考虑单机),所以我的这个实现是可以很好工作的。

Qsort的快排思想就很简单了,我们最需要注意的就是 每次对 交换元素的首字节地址进行更新,我们都是经由char*转换,因为char*所指元素正好1字节,正好模拟每次一字节的swap.

2.C语言标准库bsearch源码实现

void* Bsearch(void* base, int len, int size, const void* key, int (*cmp)(const void* a, const void* b))
{
assert(base != NULL && len >= && size >= && cmp != NULL);
int low = ;
int high = len - ;
while (low <= high) {
int mid = low + (high - low) / ;
char* pmid = (char*)base + mid * size;
if (cmp(pmid, key) < ) {
low = mid + ;
} else if (cmp(pmid, key) > ) {
high = mid - ;
} else {
return pmid;
} }
return NULL;
} int cmp_int(const void* a, const void* b)
{
assert(a != NULL && b != NULL);
const int* lhs = (const int*)a;
const int* rhs = (const int*)b;
if (*lhs < *rhs) {
return -;
} else if (*lhs == *rhs) {
return ;
} else {
return ;
}
} int cmp_string(const void* a, const void* b)
{
assert(a != NULL && b != NULL);
const char** lhs = (const char**)a;
const char** rhs = (const char**)b;
return strcmp(*lhs, *rhs);
} int main(int argc, char* argv[])
{
int a[] = {-, , , , , , , , , };
int len1 = sizeof(a) / sizeof(a[]); int tmp = ;
int* res1 = (int*)Bsearch(a, len1, sizeof(a[]), &tmp, cmp_int);
if (res1 != NULL) {
fprintf(stdout, "found it\n");
} else {
fprintf(stdout, "Not found\n");
} const char* str[] = {"chenwei", "dmr", "skyline", "wel", "what"};
int len2 = sizeof(str) / sizeof(str[]);
const char* p = "chenwei";
char* res2 = (char*)Bsearch(str, len2, sizeof(str[]), &p, cmp_string);
if (res2 != NULL) {
fprintf(stdout, "found it\n");
} else {
fprintf(stdout, "Not found\n");
}
return ;
}

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