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動態數組的 C 實現

上次談到了一個常用的 ADT ，sequence 的 C 實現。通常，我們不會直接使用 sequence ，而是用它來實現滿足最終需要的數據結構。比如消息隊列，比如指令堆棧，等等。一個實現的優秀的 seq 的好處在于，即使你只用到其中一部分功能，也不會因為那些沒用的部分損失太多的（時間和空間上的）性能。

今天我想談另一個更為實用的 ADT ，動態數組。這個在傳世神作《C 語言接口與實現》中也提到過，我不是想說其寫的不對，或是講述的不周全，實現的不漂亮。只是以我的觀點來展開相關的問題。

為什么要有數組？C 語言內置了數組、在 C99 中更是允許在堆棧上聲明非固定長度的數組。C++ 里以 STL 的形式提供了 vector 模塊供程序員使用。

我們面臨的問題，不是語言和庫為我們提供了多少可能。而是我們無法確定，我們到底至少需要什么？

通常，數組讓我們可以隨機（以 O(1) 的時間復雜度）訪問其內的數據。但是，隨機訪問不是目的，而是手段。我們究竟需要一個數組解決怎樣的問題？面對怎樣的問題，需要處理的數據需要以數組方式組織？我這幾年始終不敢說自己得到了確切的答案。往往，我們只是直覺上感覺，用一個 vector （使用 C++ ）非常方便，所以就用了。當我在用 C 的時候，我總是隨手寫上一個 realloc ，來擴展我的數據塊。最近一段時間，我覺得有必要歸納一下需求，設計一個通用模塊來統一解決問題了。

思考的結果就是：當我們周期性的聚合一堆數據時，我們需要一個數組，且這個數組的長度是不確定的，應該可以動態增長。

數組最重要的特性是可以最高效的遍歷，即依次處理數組內部的元素。在 C 語言的層面考慮這個問題時，就應該更細致考慮實現的差別引起的性能差異。比如鏈表的遍歷同樣是 O(N) ，但是時間和空間的開銷都是大于連續內存空間的數組的。

我們需要快速的清空數組，方便下一個周期聚合新的數據。

我們需要對數據排序，使得按我們的需要的次序去依次處理（遍歷）數組中的元素。

有時候，我們需要相對快速的查找。一旦數據是有序的，二分查找可以讓時間復雜度減少到 O(log n) 。

其它，我們不再需要。

注：我們往往混淆了另一個需求。很多時候，我們把數組當成了一個高性能卻有局限性的 key-value 字典。這個 key 就是數組內數據的數字索引。對于用一個 key （可能是數，也可能不是）快速索引到值的需求，應該放到另一個地方去考慮。

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最終，我為 array 這個 ADT 提供了如下的方法：

struct array * array_create(int atom_size); void array_release(struct array *); void array_clear(struct array *); void array_push(struct array *, void *atom); void array_iterator(struct array *, seqi iter); void array_sort(struct array *, int (*compar)(void *,void *));

這里，暫時沒有提供 binarysearch 方法，因為暫時我還沒有用到。我還不確定是不是真的有意義，以及最佳的接口定義應該是怎樣。

在實現時，我開辟了一整塊連續內存保存數據。當使用者 push 一個元素時，采用值復制的方式，復制到 array 內部。然后用 seq 來管理對內部元素的引用（指針）。

當數據區不夠大時，采用 realloc 擴展數據區內存。一旦內存地址發生變化，則修改對應的 seq 里的指針。把索引和數據分開存放，可以提高排序的效率（數據交換量比較小）。

sort 函數提供了一個類似 qsort 接口的比較函數。但是，由于和 qsort 的定義有所不同，所以不能直接去調用 qsort 。在 glibc 中，有另一個 qsort_r 可以滿足需求。不過我考慮到性能，自己重新實現了一個快速排序。反正，也沒幾行代碼。

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這里，由于數據在內存中的位置并不固定。從 seqi 中拿到的指針是不可以被傳遞保存到別的數據結構體中的。包括 seqi 這個迭代子，根據上篇關于 sequence 實現的描述，也不允許長期保留。你可以認為，這是這個 ADT 的局限性。不過我個人認為，我們每設計一個東西，只應該解決有限的，定義好的需求。而不應該包羅萬象。

只做一件事，并把它做好。

總結

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