也谈'万能'栈

十一月 27, 2007

在网上搜索"万能"二字的英文翻译，结果却无意中看到有人提到了如何设计"万能栈"。栈(stack)是比较基础(fundamental)的数据结构，实现起来一般都比较容易。但一般的栈(stack)的实现都是局限于某种特定类型的，比如一个存储32-bit整型的栈。如果对于同一份栈实现，要求可以存储多种数据类型的话，那就需要仔细想想了。而这样的栈实现也就被戏称"万能"栈。

这里对"万能"栈再做一个分类：同构数据"万能"栈和异构数据"万能"栈。简单解释一下：同构数据"万能"栈指得是这个栈可以存储多种类型数据，但是每次使用该栈时只使用其中一种类型数据；异构数据"万能"栈则说的是这个栈可以存储多种类型数据，而且使用时也是多种数据混合处理。

对于同构的"万能"栈，像C++、Java这样有模板支持的语言来说，是很好实现的。C++的标准库中就携带了一个通用的stack类，使用起来也很是方便：
stack<int> s;
for( int i=0; i < 10; i++ )
s.push(i);

但是对于使用C语言的人来说，栈是需要自己实现的。那么如何实现一个同构数据"万能"栈呢？我的想法是借用union的语法功能：
union general_unit {
        void *vp;
        void (*fp)(void);
        char *cp;
        long   l;
        double d;
   long long ll;
};

struct stack_item_t {
union general_unit item;
};
这样我在准备我的item的时候，就可以按需选取union中提供的相应类型的member。比如：
struct stack_item_t item;
item.item.l = 5;
push(&item);

这里其实也是有些别扭的，别扭在于谁来管理数据存储的问题。对于char, int, long, float, doule这样的语言本身提供的基本数据类型，大可存储在stack中。但是对于其他非基本数据类型的数据，我们只能将其指针放到栈中了，这时你就要保证push到栈中的地址在栈的活动期是有效的，像下面这样的肯定会出错：
typedef struct Foo {
//…
} Foo;

void foo(void) {
   Foo foo;
   //init…
   struct stack_item_t item;
   item.item.vp = (void*)&foo;
   push(&item);
}

int main(void) {
   struct stack_item_t item;
   item = pop();
   Foo *pfoo = (Foo*)item.vp;
   pfoo->xxx; //error;
}

如果上面的例子中存储的是函数指针的话，那么问题就不大了，因为函数地址在程序构建之后其地址就是全局可访问且始终不变的。

有了上面的基础，异构的"万能"栈实现也就容易了。异构栈要求：pop时候我也要知道pop出来的item的类型，那么只用union显然不能完成这个任务了，我们需要有一个字段来标识一下存储的类型是什么或者说标识使用了general_unit中的哪个成员，便于上层使用，方法如下：
union general_unit {
        void *vp;
        void (*fp)(void);
        char *cp;
        long   l;
        double d;
   long long ll;
};

struct general_item {
union general_unit unit;
int ut_type; //用于标识栈中数据的类型
};

struct stack_item_t {
struct general_item item;
};

这样在pop时我们需要如是做：
item = pop();
switch(item.item.ut_type) {
   case xx:
       //…
   case yy:
       //…
   //…
}
看起来还是比较麻烦的。

以上只是"万能"栈的一种想法而已，C语言博大精深，有很多诡秘的技巧是我所不知的，也许很多人还有更好的方法。

为什么要给万能二字加上引号呢？其实就是说明这个"万能"只是一个相对的概念，这个相对的"万能"带来的是数据存储管理的不一致以及接口的不易用。在平时使用时尽量避免使用这种所谓的"万能"栈，一般来说我们都会使用比较单一类型的栈实现，这样的栈简单、高效、易用且不易出错。