C语言泛型编程--抽象数据类型

一、数据类型：

      在任何编程语言中，数据类型作为一个整体，ANSI-C包含的类型为：int、double、char……，程序员很少满意语言本身提供的数据类型，一个简单的办法就是构造类似：array、struct 或union。

      那么，什么是数据类型呢？我们可以这样定义：一种数据类型是一些值的集合——通常char类型共有256不同的值，int有更多，double也包含更多的值，但是它通常和数学意义上的实数不同。

      相应地，我们可以定义数据类型：包含一些值的集合，在值上面添加一些操作。通常，这些值都是计算机可以表示，同时对其的操作或多或少反应了可行的硬件指令。ANCI-C中的int类型在这方面表现得不是很好：在不同的机器上有不同的值，并且算术右移等操作也可能不同。

例如，通常我们定义一个线性结构的数据结构如下：

typedef  struct node {
    struct node *next;
    ...information...
    }  node;

 并且我们定义如下的操作：

node * head(node * elt, const node * tail);  

二、抽象数据类型：

    当我们没有向用户展现具体实现，称为抽象数据类型，比如，我们可以从一个队列中移除一个元素，同事也可以按照一定的顺序向其中添加一个元素。

    抽象数据类型给程序员提供了最大的灵活性，因为定义中不包含具体的实现，我们可以很自由地选择任何简单高效的实现。

    抽象数据类型满足好的编程原则：信息隐藏与分治策略

代表数据项的信息只展现给需要知道的人：对程序员但不对用户。

通过抽象数据类型，我们可以方便地隔离程序的制定与实现：以自己的方式将一个大的任务拆成小的模块

三、例子--Set

我们怎样构建一个抽象数据类型呢？一个集合set包含如下操作：add, find, drop……，它们将提供集合一个元素并且会返回添加的元素。find操作被用作告诉我们是否某一个元素在集合内。

这样看来，set是一个抽象数据类型，声明我们对set的操作，从一个Set.h头文件开始：

#ifndef    SET_H
#define    SET_H
extern const void * Set;
void * add (void * set, const void * element);
void * find (const void * set, const void * element);
void * drop (void * set, const void * element);
int contains (const void * set, const void * element);
unsigned count (const void * set);
#endif

 Set将在某种程度上展示我们在sets上的操作，add( )向set中添加一个元素，返回是否已经存在于set或是添加成功，find( )在set中寻找一个元素，返回位置或是空指针。drop( )定位一个元素并从set中移除，返回移除元素。contains( )将find( )的结果转换为一个具体的值。

通用指针void*贯穿始终，一方面，通过它可以隐藏set的一些细节，另一方面，它允许我们虚拟的传递任何的类型给add( )以及其他的函数。

四、内存管理

如何获取一个set集合？Set是一个指针，并不是通过typedef定义的类型，结果，我们不能把Set类型定义为局部变量或是全局变量。相反，我们只能通过使用指针指向sets与其中的元素，在new.h中定义如下代码：

#ifndef    NEW_H
#define    NEW_H
void * new (const void * type, ...);
void delete (void * item);
#endif

五、Object

假如我们打算收集set中的任何感兴趣的数据，需要另一种数据类型Object，在Object.h中描述如下：

#ifndef    OBJECT_H
#define    OBJECT_H
extern const void * Object;        /* new(Object); */
int differ (const void * a, const void * b);
#endif

 六、应用

通过上述头文件，可以写出如下的应用main.c :

#include <stdio.h>

#include "new.h"
#include "Object.h"
#include "Set.h"

int main ()
{    void * s = new(Set);
    void * a = add(s, new(Object));
    void * b = add(s, new(Object));
    void * c = new(Object);

    if (contains(s, a) && contains(s, b))
        puts("ok");

    if (contains(s, c))
        puts("contains?");

    if (differ(a, add(s, a)))
        puts("differ?");

    if (contains(s, drop(s, a)))
        puts("drop?");

    delete(drop(s, b));
    delete(drop(s, c));

    return 0;
}

 七、实现

下面将逐一实现本文所有头文件中声明的函数：

实现--Set

main.c 可以成功编译，但是在编译和执行程序之前，我们必须实现抽象数据类型和内存管理，如果一个对象不储存任何信息，并且每一个对象都至少属于一个set，那么我们可以用一个唯一的较小的正整数值来表示对象和每一个set，而这些正整数值可以使用一个数组heap[ ]中的索引来表示。

如果一个对象是set的成员，对应的数组元素包含代表set的整数值。

Sets和对象具有相同的展示，new( )不会在意type的类型描述，它将返回heap[ ]中值为0的元素，代码如下:

#if ! defined MANY || MANY < 1
#define    MANY    10
#endif

static int heap [MANY];

void * new (const void * type, ...)
{    int * p;                            /* & heap[1..] */

    for (p = heap + 1; p < heap + MANY; ++ p)
        if (! * p)
            break;
    assert(p < heap + MANY);
    * p = MANY;
    return p;
}

  使用0来标记heap[ ]中的有效元素，结果，我们不能返回指向heap[0]的指针----假如是set，其成员可以获得0索引。new()可能越界，可以使用assert（）来避免。elete()必须小心null指针，一个heap[]元素通过被设置为0从而被回收：

void delete (void * _item)
{    int * item = _item;

    if (item)
    {    assert(item > heap && item < heap + MANY);
        * item = 0;
    }
}

    注：我们必须使用统一的方式来处理通用指针，于是我们使用在变量名前加下划线前缀的方法，只是用来初始化我们期待的类型并且名字接近的局部变量。

 一个set有所包含的的对象表示：每一个元素指向set，假如一个元素包含MANY，就可以添加到set，否则，说明set中已经包含。

void * add (void * _set, const void * _element)
{    int * set = _set;
    const int * element = _element;

    assert(set > heap && set < heap + MANY);
    assert(* set == MANY);
    assert(element > heap && element < heap + MANY);

    if (* element == MANY)
        * (int *) element = set - heap;
    else
        assert(* element == set - heap);

    return (void *) element;
}

其他的函数就简单了，find( ) 仅仅用来判断set中是否包含有下划线前缀的变量名元素：

void * find (const void * _set, const void * _element)
{    const int * set = _set;
    const int * element = _element;

    assert(set > heap && set < heap + MANY);
    assert(* set == MANY);
    assert(element > heap && element < heap + MANY);
    assert(* element);

    return * element == set - heap ? (void *) element : 0;
}

 contains( )将find( ) 得到的结果转换为一个真值：

int contains (const void * _set, const void * _element)
{
    return find(_set, _element) != 0;
}

 drop( ) 依赖find( )函数来检查要删除的元素是否在set中，若是，则通过将相应的对象元素的值标记为MANY：

void * drop (void * _set, const void * _element)
{    int * element = find(_set, _element);

    if (element)
        * element = MANY;
    return element;
}

 接着提供了一个判断两个对象是否相等的函数differ( )：

int differ (const void * a, const void * b)
{
    return a != b;
}

 完整的Set.c源代码如下：

#include <assert.h>
#include <stdio.h>

#include "new.h"
#include "Set.h"
#include "Object.h"

const void * Set;
const void * Object;

#if ! defined MANY || MANY < 1
#define    MANY    10
#endif

static int heap [MANY];

void * new (const void * type, ...)
{    int * p;                            /* & heap[1..] */

    for (p = heap + 1; p < heap + MANY; ++ p)
        if (! * p)
            break;
    assert(p < heap + MANY);
    * p = MANY;
    return p;
}

void delete (void * _item)
{    int * item = _item;

    if (item)
    {    assert(item > heap && item < heap + MANY);
        * item = 0;
    }
}

void * add (void * _set, const void * _element)
{    int * set = _set;
    const int * element = _element;

    assert(set > heap && set < heap + MANY);
    assert(* set == MANY);
    assert(element > heap && element < heap + MANY);

    if (* element == MANY)
        * (int *) element = set - heap;
    else
        assert(* element == set - heap);

    return (void *) element;
}

void * find (const void * _set, const void * _element)
{    const int * set = _set;
    const int * element = _element;

    assert(set > heap && set < heap + MANY);
    assert(* set == MANY);
    assert(element > heap && element < heap + MANY);
    assert(* element);

    return * element == set - heap ? (void *) element : 0;
}

int contains (const void * _set, const void * _element)
{
    return find(_set, _element) != 0;
}

void * drop (void * _set, const void * _element)
{    int * element = find(_set, _element);

    if (element)
        * element = MANY;
    return element;
}

int differ (const void * a, const void * b)
{
    return a != b;
}