纯 C 中的“多用途”链表实现

Question

这不完全是一个技术问题，因为我知道 C 足以做我需要做的事情（我的意思是，不让语言妨碍你的方式），所以这个问题基本上是一个“采取什么方向”的问题。

情况是：我目前正在学习高级算法课程，为了“成长为程序员”，我需要使用纯 C 来实现实际作业（效果很好：几乎任何小错误你make 实际上迫使你完全理解你在做什么来修复它）。在实现过程中，我显然遇到了必须从头开始实现“基本”数据结构的问题：实际上不仅是链表，还有堆栈、树等。

我将重点放在本主题中的列表上，因为它通常是我最终在程序中经常使用的一种结构，既可以作为“主”结构，也可以作为其他较大结构的“辅助”结构（例如，哈希使用链表解决冲突的树）。

这要求列表存储许多不同类型的元素。我在这里假设我不想为每种类型重新编码列表。所以，我可以想出这些替代方案：

• 创建一个 void 指针列表（有点不雅；更难调试）
• 只制作一个列表，但有一个 union 作为“元素类型”，包含我将在程序中使用的所有元素类型（更易于调试；如果元素大小不同，则会浪费空间)
• 使用预处理器宏以SGLIB 的样式为每种类型重新生成代码，“模仿”C++ 的STL（创造性的解决方案；不浪费空间；元素具有它们返回时实际的显式类型; 列表代码的任何变化都可能非常引人注目)
• 您的想法/解决方案

为了明确问题：以上哪一项最好？

PS：由于我基本上是在学术环境中，我也对业内使用纯 C 语言的人们的看法非常感兴趣。我知道大多数纯 C 程序员都在嵌入式设备领域，我认为我面临的这种问题并不常见。但是，如果有人知道它在“现实世界”中是如何完成的，我会对您的意见非常感兴趣。

Answer 1

void * 在链表中有点麻烦，因为您必须单独管理它对链表本身的分配。我过去使用的一种方法是使用“可变大小”结构，例如：

typedef struct _tNode {
    struct _tNode *prev;
    struct _tNode *next;
    int payloadType;
    char payload[1];  // or use different type for alignment.
} tNode;

现在我意识到 看起来 不是可变大小的，但让我们这样分配一个结构：

typedef struct {
    char Name[30];
    char Addr[50];
} tPerson;
tNode *node = malloc (sizeof (tNode) - 1 + sizeof (tPerson));

现在您有一个节点，无论出于何种意图和目的，它看起来都像这样：

typedef struct _tNode {
    struct _tNode *prev;
    struct _tNode *next;
    int payloadType;
    char Name[30];
    char Addr[50];
} tNode;

或者，以图形形式（其中[n] 表示n 字节）：

+----------------+
|    prev[4]     |
+----------------+
|    next[4]     |
+----------------+
| payloadType[4] |                
+----------------+                +----------+
|   payload[1]   | <- overlap ->  | Name[30] |
+----------------+                +----------+
                                  | Addr[50] |
                                  +----------+

也就是说，假设您知道如何正确寻址有效负载。这可以按如下方式完成：

node->prev = NULL;
node->next = NULL;
node->payloadType = PLTYP_PERSON;
tPerson *person = &(node->payload); // cast for easy changes to payload.
strcpy (person->Name, "Bob Smith");
strcpy (person->Addr, "7 Station St");

该转换行只是将payload 字符的地址（在tNode 类型中）转换为实际tPerson 有效负载类型的地址。

使用这种方法，您可以在一个节点中携带您想要的任何有效负载类型，甚至每个节点中的不同有效负载类型，而不会浪费联合的空间。这种浪费可以通过以下方式看到：

union {
    int x;
    char y[100];
} u;

每次在列表中存储整数类型时都会浪费 96 个字节（对于 4 字节整数）。

tNode 中的有效负载类型可以让您轻松检测此节点承载的有效负载类型，以便您的代码决定如何处理它。您可以使用以下内容：

#define PAYLOAD_UNKNOWN     0
#define PAYLOAD_MANAGER     1
#define PAYLOAD_EMPLOYEE    2
#define PAYLOAD_CONTRACTOR  3

或者（可能更好）：

typedef enum {
    PAYLOAD_UNKNOWN,
    PAYLOAD_MANAGER,
    PAYLOAD_EMPLOYEE,
    PAYLOAD_CONTRACTOR
} tPayLoad;

Answer 2

我的 $.002：

• 制作空指针列表（有点不雅；更难调试）

恕我直言，如果您必须用 C 语言编写，这并不是一个糟糕的选择。您可以添加 API 方法以允许应用程序提供 print() 方法以便于调试。当（例如）项目被添加到列表中或从列表中删除时，可以调用类似的方法。 （对于链表，这通常不是必需的，但对于更复杂的数据结构——例如哈希表）——它有时可以成为救命稻草。）

• 只创建一个列表，但有一个联合作为“元素类型”，包含我将在程序中使用的所有元素类型（更易于调试；如果元素大小不同，则会浪费空间）

我会像避免瘟疫一样避免这种情况。 （好吧，您确实问过。）从数据结构到其包含的类型的手动配置的编译时依赖性是最糟糕的。再次，恕我直言。

• 使用预处理器宏为每种类型重新生成代码，采用 SGLIB (sglib.sourceforge.net) 的风格，“模仿”C++ 的 STL（创造性解决方案；不浪费空间；元素具有它们实际的显式类型是它们被返回的时间；列表代码的任何变化都可能非常显着）

有趣的想法，但由于我不了解 SGLIB，所以我不能多说。

• 你的想法/解决方案

我会选择第一个。

Answer 3

我过去在我们的代码中（后来被转换为 C++）就这样做了，当时我决定采用 void* 方法。我这样做只是为了灵活性——我们几乎总是在列表中存储一个指针，解决方案的简单性和可用性超过了（对我而言）其他方法的缺点。

话虽如此，有一次它导致了一些难以调试的讨厌的错误，所以它绝对不是一个完美的解决方案。不过，如果我现在再做一次，我想它仍然是我会选择的。

Answer 4

使用预处理器宏是最好的选择。 Linux kernel linked list 是 C 中循环链表的出色高效实现。非常便携且易于使用。 Here linux 内核 2.6.29 list.h 标头的独立版本。

FreeBSD/OpenBSD sys/queue 是基于通用宏的链表的另一个不错的选择

Answer 5

我已经多年没有编写 C 代码了，但 GLib 声称提供“大量用于字符串和常见数据结构的实用函数”，其中包括链表。

Answer 6

尽管考虑使用另一种语言的技术（例如泛型）解决此类问题很诱人，但实际上它很少能成功。可能有一些罐头解决方案在大多数情况下都能做到正确（并在他们出错时在他们的文档中告诉你），使用它可能会错过任务的重点，所以我会三思而后行。在极少数情况下，自行推出可能是可行的，但对于任何合理规模的项目，它可能不值得进行调试工作。

相反，在使用 x 语言编程时，您应该使用 x 语言的习语。使用 python 时不要编写 java。使用方案时不要写 C。使用 C99 时不要编写 C++。

我自己，我可能最终会使用类似 Pax 的建议，但实际上使用 char[1] 和 void* 和 int 的联合，以方便常见情况（以及枚举类型标志）

（我也可能最终实现一棵斐波那契树，只是因为这听起来很整洁，而且你只能在它失去它的味道之前多次实现 RB 树，即使这对于它的常见情况来说更好用于。）

编辑：根据您的评论，您似乎有一个很好的案例来使用罐装解决方案。如果你的导师允许，并且它提供的语法感觉很舒服，那就试一试吧。

Answer 7

这是个好问题。我喜欢两种解决方案：

• Dave Hanson 的C Interfaces and Implementations 使用void * 指针列表，这对我来说已经足够了。

• 对于我的学生，我编写了一个awk 脚本来生成特定类型的列表函数。与预处理器宏相比，它需要额外的构建步骤，但系统的操作对于没有太多经验的程序员来说更加透明。这确实有助于证明参数多态性，他们稍后会在课程中看到。

  下面是一组函数的样子：

  int      lengthEL (Explist *l);
  Exp*     nthEL    (Explist *l, unsigned n);
  Explist *mkEL     (Exp *hd, Explist *tl);
  

  awk 脚本是 150 行的恐怖；它在 C 代码中搜索 typedefs 并为每个函数生成一组列表函数。它很旧；我现在可能会做得更好:-)

我不会给出一天中的时间（或我硬盘上的空间）的工会列表。它不安全，而且不可扩展，所以你最好使用void * 并完成它。

Answer 8

将其设置为 void* 列表的一个改进是将其设置为包含 void* 和一些有关 void* 指向的元数据的结构列表，包括其类型、大小等。

其他想法：嵌入 Perl 或 Lisp 解释器。

或者半途而废：链接到 Perl 库并使其成为 Perl SV 列表或其他东西。

Answer 9

我自己可能会采用 void* 方法，但我想到您可以将数据存储为 XML。然后列表可以只有一个 char* 用于数据（您可以根据需要解析任何您需要的子元素）....