泛型程式設計在非C++語言中的實現之探討 (轉)

泛型程式設計在非C++語言中的實現之探討 (轉)[@more@]

 

泛型在非C++語言中的實現之探討

左輕侯
2001.9.22

　　GP（Generic Programming，泛型程式設計）號稱程式設計思想的又一次革命。但是，在論述GP的資料中，一般都是以C++語言為基礎來討論。那麼，GP是否可以在其它的程式語言中實現呢？這是作者一直在思考的一個問題，因為水平有限和資料匱乏，收穫甚微。現將一些不成熟的想法整理出來，請方家不吝指教。
　　本文以為例（的情況與此類似，可參照），討論GP的另一種實現思路。程式碼是隨手寫出的，未證。
　　根據作者的理解，實現GP的關鍵之處，在於實現ADT（Abstract Data Type，抽象資料型別）。只有實現了ADT，才能夠將具體的資料型別與通用的演算法分離開來。
　　在C++中，ADT的是透過模板來實現的。舉一個最簡單的棧的例子（沒有給出實現部分）：
　　
template class Stack{
public:
void Push(const Type &item);
Type Pop;
...
}

　　棧的應用：
　　
Stack s;
int data;
data = 1;
s.Push(data); //入棧

int out;
out = s.Pop; //出棧

　　透過建立一個int型別的Stack，實現了對int型別資料的儲存。
　　但是，在Delphi/Java中，並沒有模板這種機制。那麼如何實現ADT呢？與C++不同的是，Delphi/Java的類繼承體系是單根結構的，也就是說，在Delphi中，所有的class都透過強制而保證成為T的子類（Java中是Object）。這個TObject可以看成是一切類的最高層次的抽象。那麼，是否可以認為Delphi/Java中已經先天地提供了對ADT的支援呢？
　　試著用這種思路建立一個棧：
　　
TStack = class
public
procedure Push(item:TObject);
function Pop:TObject;
...
end;

　　這個TStack類針對TObject型別的物件進行操作。但是，這個類還不能立即應用，因為在Delphi中，簡單資料型別並不是物件。所以必須再建立一個自定義的資料型別。下面建立了只有一個integer成員的自定義資料型別：
　　
TADT = class
public
data:integer;
end;
　　
　　再來看棧的應用：
　　
var
stack:TStack;
adt1,adt2:TADT;
begin
stack := TStack.create;
adt1 := TADT.create;
stack.Push(adt1); //入棧

adt2 := stack.Pop as TADT; //出棧

stack.free;

　　這樣就完成了對ADT物件的儲存。必須注意到，在入棧時，是將adt物件直接入棧的，因為TStack類是對TObject進行操作，由於Delphi的單根結構，可以將任何型別的物件賦給TObject型別的變數。但是，出棧時，返回的也是一個TObject的變數，因此必須用as完成一次向下對映。同樣由於單根結構，Delphi/Java提供了對RTTI的強大支援，因此這種向下對映是輕而易舉的事情。但是，毫無疑問，RTTI在上有所損失。
　　在實現了ADT的儲存之後，如何才能實現對ADT的操作呢？
　　在C++中，透過運算子過載來解決這個問題。看一個例子：　　
　　在一個List類中，查詢操作：
　　
template class List{
Type* find(Type &value); //查詢指定資料項，找到則返回其地址，否則返回NULL
...
}

template Type* List::find(Type &value){
Type* p = first->link;
where(p!=NULL&&!(p->data==value)){
p=p->link;
}
return p;
}

　　在List類的find的實現中，程式碼抄自連結串列結構的實現，不需要關心其細節。需要注意的地方只有一個，即判斷條件中的p->data==value。由於p->data和value都是ADT，在建立一個List類的物件時，它們可能是簡單資料，也可以是任何的自定義資料型別。但是，仍然可以統一使用==這樣的運算子，對它們進行操作。為什麼呢？原因在於運算子過載。
　　下面用一個Point類來說明這一點：

class Point{
private:
int x,y;
public:
int operator ==(const Point &point); //判斷兩個Point物件是否相等
...
}

int Point::operator ==(const Point &point){
if(x==point.x&&y==poing.y){
return 1;
}else{
return 0;
};
}

　　可以看到，由於過載了==運算子，兩個Point物件之間可以進行比較。同理，任何資料型別，只要過載了相應的運算子，就可以被容器類進行統一的操作。
　　當目光重新轉向非C++的時候，問題又出現了：Delphi/Java不支援運算子過載。做為補救措施，可以用函式來代替運算子。例如，統一使用equals函式來代替==。可是，更大的問題在於：容器類操作的物件是TObject，而TObject並沒有equals這樣的方法。（在Java中，object有equals方法，但並沒有其它的完整的運算方法。）
　　在不改變Delphi/Java現有語法的前提下，作者能想到的解決辦法是，建立一個TADT類，作為所有資料結構的基類。TADT中定義了很多象equals、add之類的抽象方法。自定義的資料型別一律從TADT派生，並過載相應方法。而容器類則只需要對TADT進行操作，即可實現通用的演算法了。但是，這種解決方法並不理想。
　　（補充一點，其實Delphi自己提供了一些通用的容器類，如TList、TCollection、TStack、TQueue等。但與本文中所說的不同，它們儲存的不是TObject，而是pointer。由於Delphi的“引用物件模型”機制，儲存TObject物件，其實也就等於儲存一個pointer，不同之處在於，pointer不但可以儲存物件，而且可以儲存基本資料型別。這應該也是Borland如此設計的原因。但是，這些容器類只提供了add、delete之類的管理方法，並沒有提供通用的演算法，因為對pointer不能進行復雜的操作。實際操作中，往往是員從容器類派生出一個新類，或者在自己的類中維護一個容器類。這也是一種解決辦法，但演算法就不能獨立出來了。）
　　
　　綜上所述，作者的觀點如下：
　　1、C++中透過模板機制來實現ADT的儲存，Delphi/Java同樣可以透過單根結構+RTTI的機制來實現。其不同之處在於，C++的實現是語法上的，而Delphi/Java是邏輯上的，也就是說，C++是透過一套特殊的語法來實現的，而Delphi/Java是根據的理論和本身的類庫體系自然地實現的。作者個人以為，從這個角度來看，Delphi/Java的實現機制更加簡單和直觀。
　　2、從執行效率來算，C++肯定要強於Delphi/Java，因為C++的實現是編譯期的，而Delphi/java是執行期的。RTTI的使用將對效率造成不小的影響。但是，從另一個角度來考慮，ADT在執行期的實現也帶來了好處，那就是可以在執行期隨意地改變容器類所儲存的資料結構型別。作者還沒有考慮過這種“資料型別的多型”會對程式設計帶來什麼實質性的後果。不過大膽地設想一下，以後也許可以將標準演算法封裝在DLL之類已編譯的模組中，甚至封裝在OS提供的COM物件裡，程式設計師只需要建立自己的資料型別，將其提交給相應的介面？……
　　3、C++中透過運算子過載，來實現對ADT的操作。在不支援運算子過載的Delphi/Java中，作者未能發現好的代替方法。建立統一的ADT抽象類的解決方法，只能說是一個餿主意。:-(有程式設計師傾向於Delphi中應該增加運算子過載，這應該是理由之一，不知道Borland是否重視。另外，據說下一版的Java將會全面支援GP，不知道是透過什麼機制來實現？請了解內幕的高手介紹一下。