用于比较 C 中数字的类似 strcmp 的接口

Question

我想创建类似strcmp 的接口来比较数字，例如，ncmp(x, y) 如果x > y 返回一个int > 0，0 如果x = y，< 0 如果x < y 在C（不是 C++）。

虽然我一定不想限制类型，但我的主要兴趣是比较signed long ints 和doubles。 “接口”可以是tgmath.h 中的宏，也可以是（一组）函数。我希望所有 signed long int 和 double 对都能正常工作；例如，(signed long int, double) 和 (double, double) 应该可以工作。

我目前使用的是以下宏：

#define ncmp(x, y) ((x) > (y)) - ((x) < (y))

这个幼稚的宏有什么陷阱吗？ 有没有更好、更强大的解决方案来比较数字？

任何帮助将不胜感激！

Answer 1

对于这个宏：

#define ncmp(x, y) ((x) > (y)) - ((x) < (y))

主要问题是：

1. 在展开式中需要额外的一组括号来形成主表达式。展开式中没有足够的括号将其变成主表达式。应该是：

   #define ncmp(x, y) (((x) > (y)) - ((x) < (y)))
   

2. 它会评估(x) 和(y) 两次，如果评估有副作用，这可能是个问题。

为避免多重评估的问题，宏扩展可以使用通用选择表达式为每个被比较的类型调用不同的函数。

注 1：2011 版 C 标准 (C11) 中添加了泛型选择。）

这是一个使用通用选择的示例宏。它可能需要扩展以支持其他类型：

#define ncmp(x, y) _Generic((x) < (y), \
    int: ncmp_si,                      \
    unsigned: ncmp_ui,                 \
    long: ncmp_sli,                    \
    unsigned long: ncmp_uli,           \
    long long: ncmp_slli,              \
    unsigned long long: ncmp_ulli,     \
    float: ncmp_f,                     \
    double: ncmp_d,                    \
    long double: ncmp_ld               \
    )((x), (y))

注意 2：不计算泛型选择的控制表达式 ((x) < (y))，但其类型用于选择相应的 泛型关联 表达式（如果有）。

注3：控制表达式中<的选择无关紧要，但它至少检查(x)和(y)有一个有序的关系。对于算术操作数，控制表达式的类型是通常的算术转换的结果。

注意 4：由于在控制表达式中对 < 的操作数进行了通常的算术转换，因此不需要为等级低于 int 的整数类型添加案例。

注意 5：可以添加 default: 通用关联。例如，可以定义回退到使用不太安全的多重评估方法，如下所示：

#define ncmp(x, y) _Generic((x) < (y),         \
    int: ncmp_si((x), (y)),                    \
    unsigned: ncmp_ui((x), (y)),               \
    long: ncmp_sli((x), (y)),                  \
    unsigned long: ncmp_uli((x), (y)),         \
    long long: ncmp_slli((x), (y)),            \
    unsigned long long: ncmp_ulli((x), (y)),   \
    float: ncmp_f((x), (y)),                   \
    double: ncmp_d((x), (y)),                  \
    long double: ncmp_ld((x), (y)),            \
    default: ((x) > (y)) - ((x) < (y))         \
    )

但我选择让程序员来添加缺失的案例。

有必要定义上面每个通用关联所使用的函数。为了节省一点打字，可以定义一个辅助宏来定义它们：

#define MK_NCMP_(suf, T) \
static inline int ncmp_##suf(T x, T y) { return (x > y) - (x < y); }

MK_NCMP_(si, int)
MK_NCMP_(ui, unsigned)
MK_NCMP_(sli, long)
MK_NCMP_(uli, unsigned long)
MK_NCMP_(slli, long long)
MK_NCMP_(ulli, unsigned long long)
MK_NCMP_(f, float)
MK_NCMP_(d, double)
MK_NCMP_(ld, long double)

Answer 2

我希望所有 signed long int 和 double 对都能正常工作；

从 C11 开始，代码可以使用 _Generic 来根据类型引导函数选择。

int cmp_long(long x, long y) {
  return (x > y) - (x < y);
}  

int cmp_double(double x, double y) {
  return (x > y) - (x < y);
}  

#define cmp(X, Y) _Generic((X) - (Y), \
    long: cmp_long((X),(Y)), \
    double: cmp_double((X),(Y)) \
)

这种方法不能很好地检测X, Y 属于不同类型的情况，因为(X) - (Y) 使用它们之间的公共类型@Ian Abbott。然而，这只是一个开始。

int main(void) {
  printf("%d\n", cmp(1L, 2L));
  printf("%d\n", cmp(3.0, 4.0));
}

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可以制作更复杂的两阶段_Generic 来区分long, double 和double, long。我会把那部分留给 OP。

比较函数如下所示。棘手的部分是在与double 比较时不会丢失long（可能是64 位）的精度。

// TBD: handling of NANs
#define DBL_LONG_MAX_P1 ((LONG_MAX/2 + 1)*2.0)
int cmp_long_double(long x, double y) {
  // These 2 compares are expected to be exact - no rounding
  if (y >= DBL_LONG_MAX_P1) return -1;
  if (y < (double)LONG_MIN) return 1;

  // (long) y is now in range of `long`.  (Aside from NANs)
  long y_long = (long) y; // Lose the fraction
  if (y_long > x) return -1;
  if (y_long < x) return 1;
 
  // Still equal, so look at fraction
  double whole;
  double fraction = modf(y, &whole);
  if (fraction > 0.0) return -1;
  if (fraction < 0.0) return 1;
  return 0;
}

可能存在简化。

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当double 精确编码所有long 或long double 存在并精确编码所有long 时，将long 和double 都转换为通用类型并进行比较是最简单的。