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  • C语言原子接口与实现

      原子是一个指向唯一的、不可变的0个或任意多个字节序列的指针,大多数原子都是指向以空字符结束的字符串,但是任何一个指向任意字节序列的指针都可以使原子。任何原子只能出现一次。如果两个原子指向同一个内存单元时,则两个原子是相等的。仅仅比较两个字节序列相应的指针是否相等,就可以判断这两个字节序列是否相等了,这就是使用原子的好处之一;还有一个好处就是使用原子可以节省空间,因为每个序列只会出现一次。

    本文地址:http://www.cnblogs.com/archimedes/p/c-atom.html,转载请注明源地址。

    接口

    Atom的接口很简单:

    #ifndef ATOM_INCLUDED
    #define ATOM_INCLUDED
    extern       int   Atom_length(const char *str);
    extern const char *Atom_new   (const char *str, int len);
    extern const char *Atom_string(const char *str);
    extern const char *Atom_int   (long n);
    #endif
    atom.h

    Atom_new接收一个指向字节序列的指针以及该序列的字节数作为输入,它在原子表中增加一个该序列的拷贝,并且如果需要的话,返回原子表中指向该拷贝的指针(即原子)

    原子总是以一个空字符结束,在必要的时候该空字符由Atom_new添加

    Atom_string接收一个空字符串结束的字符串作为输入,在原子表中增加一个该串的拷贝,如果需要的话返回该原子

    Atom_int返回长整数n的字符串表示的原子

    Atom_length返回其原子参数的长度

    实现

    Atom的实现对原子表进行维护。Atom_new,Atom_string,Atom_int查找原子表,并都有可能在原子表中添加一个新的元素,而Atom_length仅仅查找原子表

    #include "atom.h"

    Atom_string,Atom_int可以在不知道原子表细节的情况下执行相应的操作

    #include <string.h>
    #include "assert.h"
    const char *Atom_string(const char *str) {
        assert(str);
        return Atom_new(str, strlen(str));
    }

    Atom_int首先把它的参数转化为一个字符串,然后调用Atom_new:

    #include <limits.h>
    const char *Atom_int(long n) {  /*将参数转换成一个字符串,然后调用Atom_new*/
        char str[43];
        char *s = str + sizeof str;  /*将s指向字符数组的尾部*/
        unsigned long m;
        if (n == LONG_MIN)    /*处理最小的负长整数*/
            m = LONG_MAX + 1UL;
        else if (n < 0)
            m = -n;
        else
            m = n;
        do
            *--s = m%10 + '0';   /*对m取余获取最后一位数字倒序保存在字符数组中*/
        while ((m /= 10) > 0);
        if (n < 0)
            *--s = '-';  /*如果n是负数在结果前面加上’-‘号*/
        return Atom_new(s, (str + sizeof str) - s);
    }

    Atom_int必须处理二进制补码数的不对称范围以及C的除法和取余运算的不确定性,无符号的除法和取余都具有良好的定义,因此Atom_int也可以通过使用无符号算术来避免使用有符号运算引起的不确定。

    引入头文件和相关宏:

    #include "atom.h"
    #include <string.h>
    #include "assert.h"
    #include <limits.h>
    #include "mem.h"   /* 内存管理接口 */
    #define NELEMS(x) ((sizeof (x))/(sizeof ((x)[0]))) 
     /* 求数组中元素的个数 */

    散列表显然是一个针对原子表的数据结构,散列表是一个入口表的指针数组,其中每一个元素都存有一个原子:

    static struct atom {
        struct atom *link;  /*指向表中的下一个入口*/
        int len;  /*len存储序列的长度*/
        char *str;   /*str指向序列本身*/
    } *buckets[2048];  /*散列表的长度小于2048*/

    针对“an atom”的struct atom的小尾数法布局:

    Atom_new计算由str[0……len-1]给定序列的散列值,并用buckets的元素个数对其取模,搜索由buckets中该散列值元素所指向的链表。如果发现str[0……len-1]已存在于表中,它将只是简单地返回该原子:

    #define NELEMS(x) ((sizeof (x))/(sizeof ((x)[0])))  /* 求数组中元素的个数 */
    const char *Atom_new(const char *str, int len) {  /*接收一个指向字节序列的指针以及该序列的字节数,在原子表中增加一个该序列的拷贝*/
        unsigned long h;
        int i;
        struct atom *p;
        assert(str);
        assert(len >= 0);
        for (h = 0, i = 0; i < len; i++)  /*查找表算法*/
            h = (h<<1) + scatter[(unsigned char)str[i]];
        h &= NELEMS(buckets)-1;
        for (p = buckets[h]; p; p = p->link)  /*在buckets[h]中查找是否存在str*/
            if (len == p->len) {
                for (i = 0; i < len && p->str[i] == str[i]; )
                    i++;
                if (i == len)
                    return p->str;  /*找到即返回*/
            }
        p = ALLOC(sizeof (*p) + len + 1);  /*没找到则新建原子*/
        p->len = len;
        p->str = (char *)(p + 1);
        if (len > 0)
            memcpy(p->str, str, len);
        p->str[len] = '';
        p->link = buckets[h];
        buckets[h] = p;
        return p->str;
    }

    Hash表结构:

    Atom的实现对原子表进行维护,Atom_new、Atom_string以及Atom_int查找原子表,并且都有可能在原子表中添加一个新的元素,而Atom_length仅仅查找原子表。

    完整实现代码如下:

    #include "atom.h"
    #include <string.h>
    #include "assert.h"
    #include <limits.h>
    #include "mem.h"   /* 内存管理接口 */
    #define NELEMS(x) ((sizeof (x))/(sizeof ((x)[0])))  /* 求数组中元素的个数 */
    static struct atom {
        struct atom *link;  /*指向表中的下一个入口*/
        int len;  /*len存储序列的长度*/
        char *str;   /*str指向序列本身*/
    } *buckets[2048];  /*散列表的长度小于2048*/
    static unsigned long scatter[] = {  /*256入口数组,它将字节映射为随机数,这些随机数通过标准库的rand函数生成*/
    2078917053, 143302914, 1027100827, 1953210302, 755253631, 2002600785,
    1405390230, 45248011, 1099951567, 433832350, 2018585307, 438263339,
    813528929, 1703199216, 618906479, 573714703, 766270699, 275680090,
    1510320440, 1583583926, 1723401032, 1965443329, 1098183682, 1636505764,
    980071615, 1011597961, 643279273, 1315461275, 157584038, 1069844923,
    471560540, 89017443, 1213147837, 1498661368, 2042227746, 1968401469,
    1353778505, 1300134328, 2013649480, 306246424, 1733966678, 1884751139,
    744509763, 400011959, 1440466707, 1363416242, 973726663, 59253759,
    1639096332, 336563455, 1642837685, 1215013716, 154523136, 593537720,
    704035832, 1134594751, 1605135681, 1347315106, 302572379, 1762719719,
    269676381, 774132919, 1851737163, 1482824219, 125310639, 1746481261,
    1303742040, 1479089144, 899131941, 1169907872, 1785335569, 485614972,
    907175364, 382361684, 885626931, 200158423, 1745777927, 1859353594,
    259412182, 1237390611, 48433401, 1902249868, 304920680, 202956538,
    348303940, 1008956512, 1337551289, 1953439621, 208787970, 1640123668,
    1568675693, 478464352, 266772940, 1272929208, 1961288571, 392083579,
    871926821, 1117546963, 1871172724, 1771058762, 139971187, 1509024645,
    109190086, 1047146551, 1891386329, 994817018, 1247304975, 1489680608,
    706686964, 1506717157, 579587572, 755120366, 1261483377, 884508252,
    958076904, 1609787317, 1893464764, 148144545, 1415743291, 2102252735,
    1788268214, 836935336, 433233439, 2055041154, 2109864544, 247038362,
    299641085, 834307717, 1364585325, 23330161, 457882831, 1504556512,
    1532354806, 567072918, 404219416, 1276257488, 1561889936, 1651524391,
    618454448, 121093252, 1010757900, 1198042020, 876213618, 124757630,
    2082550272, 1834290522, 1734544947, 1828531389, 1982435068, 1002804590,
    1783300476, 1623219634, 1839739926, 69050267, 1530777140, 1802120822,
    316088629, 1830418225, 488944891, 1680673954, 1853748387, 946827723,
    1037746818, 1238619545, 1513900641, 1441966234, 367393385, 928306929,
    946006977, 985847834, 1049400181, 1956764878, 36406206, 1925613800,
    2081522508, 2118956479, 1612420674, 1668583807, 1800004220, 1447372094,
    523904750, 1435821048, 923108080, 216161028, 1504871315, 306401572,
    2018281851, 1820959944, 2136819798, 359743094, 1354150250, 1843084537,
    1306570817, 244413420, 934220434, 672987810, 1686379655, 1301613820,
    1601294739, 484902984, 139978006, 503211273, 294184214, 176384212,
    281341425, 228223074, 147857043, 1893762099, 1896806882, 1947861263,
    1193650546, 273227984, 1236198663, 2116758626, 489389012, 593586330,
    275676551, 360187215, 267062626, 265012701, 719930310, 1621212876,
    2108097238, 2026501127, 1865626297, 894834024, 552005290, 1404522304,
    48964196, 5816381, 1889425288, 188942202, 509027654, 36125855,
    365326415, 790369079, 264348929, 513183458, 536647531, 13672163,
    313561074, 1730298077, 286900147, 1549759737, 1699573055, 776289160,
    2143346068, 1975249606, 1136476375, 262925046, 92778659, 1856406685,
    1884137923, 53392249, 1735424165, 1602280572
    };
    const char *Atom_string(const char *str) {
        assert(str);
        return Atom_new(str, strlen(str));
    }
    const char *Atom_int(long n) {  /*将参数转换成一个字符串,然后调用Atom_new*/
        char str[43];
        char *s = str + sizeof str;  /*将s指向字符数组的尾部*/
        unsigned long m;
        if (n == LONG_MIN)    /*处理最小的负长整数*/
            m = LONG_MAX + 1UL;
        else if (n < 0)
            m = -n;
        else
            m = n;
        do
            *--s = m%10 + '0';   /*对m取余获取最后一位数字倒序保存在字符数组中*/
        while ((m /= 10) > 0);
        if (n < 0)
            *--s = '-';  /*如果n是负数在结果前面加上’-‘号*/
        return Atom_new(s, (str + sizeof str) - s);
    }
    const char *Atom_new(const char *str, int len) {  /*接收一个指向字节序列的指针以及该序列的字节数,在原子表中增加一个该序列的拷贝*/
        unsigned long h;
        int i;
        struct atom *p;
        assert(str);
        assert(len >= 0);
        for (h = 0, i = 0; i < len; i++)  /*查找表算法*/
            h = (h<<1) + scatter[(unsigned char)str[i]];
        h &= NELEMS(buckets)-1;
        for (p = buckets[h]; p; p = p->link)  /*在buckets[h]中查找是否存在str*/
            if (len == p->len) {
                for (i = 0; i < len && p->str[i] == str[i]; )
                    i++;
                if (i == len)
                    return p->str;  /*找到即返回*/
            }
        p = ALLOC(sizeof (*p) + len + 1);  /*没找到则新建原子*/
        p->len = len;
        p->str = (char *)(p + 1);
        if (len > 0)
            memcpy(p->str, str, len);
        p->str[len] = '';
        p->link = buckets[h];
        buckets[h] = p;
        return p->str;
    }
    int Atom_length(const char *str) {
        struct atom *p;
        int i;
        assert(str);
        for (i = 0; i < NELEMS(buckets); i++)
            for (p = buckets[i]; p; p = p->link)  /*在buckets表中查找str*/
                if (p->str == str)
                    return p->len;  /*成功找到后返回len*/
        assert(0);
        return 0;
    }
    atom.c

     

    参考资料

    《C语言接口与实现--创建可重用软件的技术》

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