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冒号和他的学生们

——程序员提高班纪事

 

9. 泛型范式

算法是脊，数据是肉；思想是鸡，结论是蛋                                      ——题记

 

摘要：泛型式编程简谈

 

冒号重新开讲：“你们会不会经常遇到这种情景：一遍又一遍地写着相似的代码，有心将其归并，却因种种原因无法践行。”

逗号心有戚戚焉道：“是啊，有时明明两个函数的实现几乎一模一样的，就因为某些参数不匹配，无法合而为一。”

“有一种编程范式可以解决这个问题，它打破了不同数据结构之间的壁垒，让你的代码不再臃肿，这——就是泛型编程。”冒号的语调和说辞不免令人联想到电视上的减肥广告，“Generic Programming，简称GP，其基本思想是：将算法与其作用的数据结构分离，并将后者尽可能泛化，最大限度地实现算法重用。这种泛化是基于模板的参数多态（parametric polymorphism），相比OOP基于继承的子类型多态（subtype polymorphism），不仅普适性更强，而且效率也更高。这不能不说是一种异数——我们知道，普适性往往是以效率为代价的。GP最著名的代表是C++中的STL，其后亦为Java，C#等所吸纳。此外，一些函数式语言如Ocaml、Standard ML、Generic Haskell等也支持GP。”

冒号写下两段代码——

C++（泛型编程）：

template

T max(T a, T b)       // 求出两个数中的较大者

{

      return  (a > b) ? a : b;

}

 

C（宏定义）：

#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

 

“求两个数中的较大值是经常遇到的问题。”冒号解说着，“对于静态类型语言来说，若参数类型不同，即使函数体相同也不能合为一体。如果语言不支持重载（overload），还可能出现maxInt、maxLong、maxFloat、 maxDouble之类的函数名，冗赘而丑陋。尽管在C中可用宏定义来实现，但无法保证类型安全，而C++模板则兼顾类型安全和代码重用，并且由于是在编译期间展开的，效率上也不损失。不止于此，C++支持运算符重载，除数值类型外，一切定义了‘>’ 运算的数据类型均可调用max函数，真是一举N得，N趋向无穷大啊！”

冒号边说边比划，夸张的语气和手势逗得大家都笑了。

引号提出疑问：“Java的一切对象都是Object，将所有参数都换成Object类型，岂不也是一种泛化？”

冒号答道：“首先，基本类型如int，float等不是Object的子类，虽然Java 新增了自动装拆箱（autoboxing/unboxing）的功能，但要付出性能的代价。更重要的是，这将不可避免地需要类型强制转换，丧失了静态类型语言的优势，为Bug大开方便之门。这也是Java最终引入模板的原因，虽然有些姗姗来迟。类似地，C/C++中的通用指针void *也有类型安全问题。”

句号发表他的看法：“泛型虽好，似乎只是某些局部才用到的技术，不具有前面几种范式的渗透性。”

冒号听罢不语，返身在黑板上写下几道题——

1．从一个整数数组中随机抽取十个数，对其中的素数求和

2．将一个无序整数集中所有的完全平方数换成其平方根

3．从学生成绩表中，列出门门都及格且平均分在70分以上的学生名单

4．在一个着色二元树中，将所有的红色结点涂成蓝色

5．将一个字符串从倒数第三个字符开始反向拷贝到另一个字符串中

6．每从标准输入读取一个非数字的字符，于标准输出打印‘请输入数字’

 

句号暗忖，不过是些常规题嘛。不料冒号的问题却出人意表：“请问它们之间有何共同之处？能否共享一段代码？”

见众人缄默已久，冒号接着投影出一段代码——

template

void process(Iterator begin, Iterator end, Act act, Test test)

// 对容器中在给定范围内（即起于begin止于end）所有满足给定条件的元

//素（即test（元素）==true）进行处理（即act（元素））

{

    for ( ; begin != end; ++begin)    // 从头至尾遍历容器内元素

        if (test(*begin)) act(*begin); // 若当前元素满足条件，则对其采取行动

}

 

“STL有三要素：算法（algorithm）、容器（container）和迭代器（iterator）。容器是数据的集合，可理解为抽象的数组；迭代器是算法与容器之间的接口，可理解为抽象的指针或者游标。”冒号讲述道，“算法串联数据，如脊贯肉；数据实化算法，如肉附脊。只有抽象出表面的数据，算法的脊梁才能显现。以上几题看似风马牛不相及，若运用泛型思维，便可发现它们的共性：对指定集合中满足指定条件的元素进行指定处理。用模板语言，寥寥数行即勾勒完毕。”

问号诧异道：“相比前面的max模板，这里连元素的数据类型T都不见了？”

冒号回答：“元素被容器封装了。”

问号追问：“可这里连容器也看不到啊？”

冒号料有此问：“容器通过它的迭代器参与算法。”

句号豁然开朗：“通过模板，泛化了容器——可以是数组、列表、集合、映射、队列、栈、字符串等等；泛化了元素——可以是任何数据类型；泛化了处理方法和限定条件——可以是任何函数。”

冒号提醒道：“补充两点：处理方法和限定条件不限于函数，还可以是函子（Functor）——自带状态的函数对象；另外还有一个隐蔽的泛化：迭代器——可以从前往后移动，可以从后往前移动，可以随机移动，也可以按任意预先定义的规律移动。”

叹号由衷感叹：“果然强悍啊！”

逗号倒也心细：“最后一题中标准输入也算容器吗？”

“为什么不呢？只要一个对象配备了迭代器，它就算容器。I/O流上就有现成的迭代器，当然你也可以自行定制。”冒号目光转向句号，“现在还有人说泛型编程渗透性不强吗？”

句号腆然一笑。

“这只是泛型编程的冰山一角。重要的是，我们不是在玩弄花哨的技巧，而是在用一种新的视角去审视问题。”冒号总结道，“泛型编程是算法导向（Algorithm-Oriented）的，即以算法为起点和中心点，逐渐将其所涉及的数据结构内涵模糊化、外延扩大化，从而扩展算法的适用范围。这非常类似数学思维——当数学家证明完一个定理后，总会试图在保持核心思想的前提下，尽可能地放宽题设，增强结论，从而推广定理。外行人以为数学定理最重要，其实数学思想才是数学的精髓，在数学家眼里，思想是鸡，结论是蛋。这也无怪乎STL会出自一位学数学的人之手了。”

 

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