编程范式(斯坦福大学)学习笔记《四》

综述

本节课的主要内容是关于泛型数据的拷贝，虽然是使用C语言实现，并且没有用到C++中的模板这种泛型编程技术，但是效果却非常好。本节内容紧接上节所将的字节位拷贝的知识，充分利用了字节拷贝技术。

笔记

由于内容和例子不断深入，实际核心内容则比较集中，因此这里只进行总结讨论。

引例

本节所有的例子都是针对于数据交换来进行的，从最简单的例子开始，不断深入。开始是关于一个最简单的整数数据的交换实例：

void swap(int a, int b){
        int tmp = a;
        a = b;
        b = tmp;
}

此例子非常简单，只需要构造一个简单的中间临时变量tmp用来存放a的值，并且交换赋值相关的数据，就可以达到交换的目的。

但是，此实例有一个缺陷，就是值传递，而不是引用传递，这样，传递的值虽然改变，但是只想原始变量的单元却没有改变，具体来说就是：

a = 23;
b = 34
swap(a, b);

执行上面一段语句会发现，其实a，b的值并没有交换，原因和C/C++的参数的值传递以及指针传递有关系。函数调用的时候，只会拷贝a，b的值，因此调用swap的时候，交换的是形参，实际参数的值并没有改变。

要实现真正参数传递的效果，需要用指针的形式来实现：

void swap(int *vp1, int *vp2) {
    int a = *vp1;
    *vp1 = *vp2;
    *vp2 = *vp1;
}

再次调用swap(&a, &b)的时候，就会修改掉原来的值，因为这里传递过去的就是指针，所以，对vp1，vp2的操作就是对指向单元a，b的操作，所以能够修改对应的值。

泛型交换与拷贝

上面的例子，只是对某种特定的类型进行交换，比如int类型，如果想对double类型等进行交换，只需要修改其类型为double即可，其他类型类似。但是考虑到需要对多种不同类型进行交换，是否存在一种通用的方法呢？在C++中，可以用模板template技术，然而这里，回想起上节课中讲到的字节操作，能否利用字节的拷贝来实现呢？答案是肯定的。

void swap(void *vp1, void *vp2, int size){
    char buffer[size];
    memcpy(buffer, vp1, size);
    memcpy(vp1, vp2, size);
    memcpy(vp2, buffer, size);
}

调用的时候，字号需要给定某个类型，即可实现。比如，通过：

double a = 23.0, b = 34.0;
swap(&a, &b, sizeof(double));

当然，对于结构体也可以通过这种形式来进行拷贝。

关于上面例子的几点说明：

这里声明数组的方式，使用的大小size是可变的，这只在某些编译器中支持，这里只是为了说明字符拷贝的方式，例子的重点在于交换。当然可以使用malloc或者new来动态分配大小可变的空间。
这里使用memcpy(dest, src, size)这个函数来进行内存单元的拷贝，注意此函数并不关心你的数据类型，单纯的进行单元的拷贝而已，所以虽然编译可能通过，但是还需要自己进行判断和控制。
这个例子的亮点就在于void*的使用，通过它能够实现泛型，即针对于int，short，char，struct等类型都能够保证能够拷贝交换成功。
template和这里的区别和优缺点。注意到使用模板的话，编译后，会为每种类型都生成一种代码，比如int对应的，float对应的，这样如果调用次数很多的话，代码体积会增大，冗余过多。而这里编译出来就一套代码，更加简洁。
这里传递一个参数大小size是因为，由于泛型指针void*的存在，所以编译器并不知道要拷贝多少个字节，所以，需要你手动控制并指定一个大小。

存在的问题

由于编译器会很容易的放过void*带来的错误，所以如果两个类型不同的数据调用此函数，就会出现问题：

double a = 23.0;
    int b = 345;
    swap(&a, &b, sizeof(double));

这里，double和int类型占据的数据空间的大小是不同的，因此，如果单纯的直接调用这个函数，就会出错，简单的结果就是，截断拷贝或者多拷贝数据。比如，int类型拷贝到double数据空间的时候，只有前面2个字节拷贝了，后面的原来double数据的两个字节仍然保留了；或者说double拷贝到int的时候，可能会多拷贝两个字节到int后面的数据，造成出错。具体的方式，与后面一个参数sizeof(double)或者sizeof(int)有关系。

初学者容易犯的错误

使用void * tmp = vp1，而不是前面锁讲到的char buffer[size]，这个错误的原因是由于不理解void不是一个类型，不像int，double等属于一个类型，所以错误。void 只能用作函数参数，返回值才可行。但是可以使用 void * tmp = (int )&a这类的用法，因为具体的类型即可以赋值给一般的类型，你只有给定了一个具体的类型，才能让编译器知道规则，才能编译通过。
指针的拷贝，何时使用引用地址的问题。一个简单的例子出发，

char * husband = strdup("Fred"); char * wife = strdup("Wilma");

如果想交换两人所指向的空间内容，正确的做法是：

swap(&hustband, &wife, sizeof(char *))

也就是说，这里要交换的是指针的地址，交换之后，husband的内容发生了变化，内容变成了原来wife的内容，由于本身是地址，所以内容变了，实际上所只想的地址也变了，现在husband指向原来wife所指向的地址，而wife指向原来husband指向的地址。

一个错误的例子就是，swap(husband, wife, &sizeof(char *))，这样，交换的实际上是他们锁指向的内容，即存放Fred和Wilama的单元中的内容会交换，而且，由于char *是四个字节，因此交换的就只有四个字节的内容。为何会如此呢？因为上面的例子，比如要交换a，b单元的内容，传入的就是a，b的地址&a, &b，同样，这里我直接传入指针，当然交换的是他们指向的单元的内容，即两个字符串。所以要交换两个指针的内容，就要交换他们的地址，即指针的地址，指针的指针。

另外一个例子

思考一个下面线性搜索的例子，

int * lsearch(int key ,int* array, int size){
    for (int i = 0; i < size; i++)  
    {
        if(array[i] == key)
            return i;
    }
}

上面的这段代码，直接返回的就是找到索引的那个下标。

利用位比较的方式来实现

同样，为了应用上面我们学到的知识，这里想要泛型比较，搜索，如何实现？例如，对于这里的int，能否用一个struct，一个double或者其他类型。答案仍然是肯定的，只不过，我们需要对其中编译器的工作，比较的大小进行控制而已。

int *lsearch(void *key, void *base, int size, int elementSize){
    for (int i = 0; i < size; i++) {
      void * elemeAddr = (char *)base + i * elementSize; 
      if (memcmp(key, elemeAddr, elementSize) == 0)
        return elemeAddr;
    }       
}

这里的几个说明点就是，首先，传入参数的size就是要比较的数组的大小，类型我们不知道，就用void *类型，然后要传入每一个类型的大小，elementSize，这个标记了每一个数组成员的大小，正因为有这个我们才可以精准的定位到具体的单元，利用for循环来比较每一个单元和key的关系。而这里比较用的memcmp来进行，比较的字节数就是elementSize，传入两个指针即可，而比较的指针就是数组的每一个单元的地址，即elemeAddr而已。

编程范式(斯坦福大学)学习笔记《四》

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