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交换两个变量值的泛型实现(C语言)

By Wu Yudong on August 27, 2016

交换两个变量的内容是在日常编程里面经常会遇到的任务,对于泛型类型而言有两种泛型策略来实现

本文地址:http://wuyudong.com/2016/08/27/2604.html,转载请注明源地址。

第一种,最常用的是创建一个中间变量来循环交换它们的值:

T a = ...;
T b = ...;
.
T tmp = a; a = b; a = tmp;

我们称这种策略p99_swap1。在这里,编译器必须严格实现三个任务的顺序,否则,由此程序产生的结果将是不正确的。第二,叫它p99_swap2,试图做类似的事情,但放松一些顺序约束:

T a = ...;
T b = ...;
.
T tmpa = a; T tmpb = b;
a = tmpb; b = tmpa;

用更多的资源(栈空间或寄存器)可以产生更有效的代码。两个对象可以平行地加载和保存。但收益可能只在小对象上可以看到。所以将两者结合起来是一个可能的尝试

#define P99_SWAP(A, B) (sizeof(A) > sizeof(uintmax_t) ? P99_SWAP1(A, B) : P99_SWAP2(A, B))

但是如何实现两个 “子宏” P99_SWAP1 和 P99_SWAP2(A, B)?如果我们想使用C的宏或者函数来实现的难度在于仅仅是传递参数A和B而不知道其类型,所以让我们先写函数和宏,忘记类型问题:

inline
void p00_swap2(void* a, void* b, void* tmpa, void* tmpb, size_t len) {
   memcpy(tmpa, a, len);
   memcpy(tmpb, b, len);
   memcpy(b, tmpa, len);
   memcpy(a, tmpb, len);
}
#define P00X_SWAP2(A, B) p00_swap2(
    &(A),                                     \
    &(B),                                     \
    (char[sizeof(A)]){ [0] = 0 },             \
    (char[sizeof(A)]){ [0] = 0 }, sizeof(A))

这个古怪的表达式: (char[sizeof(A)]){ [0] = 0 } 被称为复合文字(C99新特性),为复制操作提供临时对象。

这有几个缺点。首先,我们甚至没有检查是否A和B与对象具有相同的大小,但我们很愉快地复制到他们。因此,首先,我们必须断言它们至少具有相同的大小,避免引起不确定的行为。这样就可以为两个复合文字实现一些表达上的魔法:

(char[sizeof(A)]){ [(intmax_t)sizeof(A) - sizeof(B)] = 0 }

其中:intmax_t类型指定一个最大尺寸有符号整数

这里发生了什么?右边的[]里面,一个指定的初始值,被用来初始化字符数组中的一个元素。现在我们将比较两者的大小:如果两者相等,则表示位置0处的元素,如果sizeof(A) < sizeof(B) ,类型转换 intmax_t 在编译的期间将产生一个负数。

如果现在我们将上面的策略应用于第二个复合文字,我们得到一个宏,在它调用两个相同大小的对象的时候成功编译,并在大小不同的时候在编译期间产生错误:

#define P00_SWAP2(A, B)
p00_swap2(                                                      \
     &(A),                                                       \
     &(B),                                                       \
     (char[sizeof(A)]){ [(intmax_t)sizeof(A) - sizeof(B)] = 0 }, \
     (char[sizeof(B)]){ [(intmax_t)sizeof(B) - sizeof(A)] = 0 }, \
     sizeof(A))
这现在已经是更安全,但也许还不够安全,因为这两个对象可能有相同的大小,但仍然不是同一类型。我们可以做一个额外的检查来确定这两种类型是否是兼容的。这可以通过下面这样的可能第一眼看起来有点hack
(1 ? &(A) : ((A = B), NULL))
#define P99_SWAP(A, B) (sizeof(A) > sizeof(uintmax_t) ? P99_SWAP1(A, B) : P99_SWAP2(A, B))
这里的条件总是真,所以它总是等于&(A)。第二个“假”部分在运行时从未执行,但只用来检查它是否是正确的C代码。如果A和B不会兼容,则表示不是正确的C代码。

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