C语言实现通用数据结构的高效设计

         最近在阅读一个开源的C++代码，里面用到了大量的STL里面的东西。也许是自己一直用C而很少用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的标准库里面快速排序比STL的标准排序要慢！于是，便认真的看了下二者的源码，发现C++里面的std::sort综合运用了部分快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快速排序，C标准库里面的qsort之所以比std::sort慢，是因为C语言中为了适配所有的数据结构使用了空指针。下面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只能针对整数类型进行排序，如果数据类型是浮点型，则要自己重新把代码拷贝一份，并且更改函数名以及数据类型。如果是双精度的，又或者是对自定义的结构体数组进行排序呢？ 显然，这不是一种很好的解决方案。 而用空指针可以解决这个问题。

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一个元素的大小不能超过4k，当然对于简单的系统预定义好的数据类型，数组元素的大小最大为double，只有8个字节，这是远远的足够用的。如果你自定义的结构体的大小太大，例如大于这里设置的4K，则没有必要用此方法排序，因为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。

       上面的方法虽然解决了任意数据类型的问题，但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，简单的比较语句，则需要调用外部传入一个函数指针得到比较结果。这是效率低下的根本原因。

       而C++模板参数的出现，只需要写一份代码，编译器根据你调用时候的数据类型自动生成新的代码。其实用宏也可以完成通用的功能。这里给出C语言宏的代码，C++模板的代码也很简单。

#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;\
	}\
} 

上面的宏定义可以看做是一种模板定义，可以用于任意数据类型。如果你要对整数进行排序，很简单，用下面的两个宏，一个宏定义比较运算，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，如果是你自定义的结构体类型，则同样只需要写这两个宏就可以了。

结尾：

用C++模板产生的代码大小是不使用模板的很多倍，而用C语言的空指针可以支持任意数据类型，代码大小很小，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。经过本人测试，随便一个特定数据结构的快速排序递归实现，都比c++ stl里面的std::sort要快。